VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MANUFACTURING TECHNOLOGY
OBRÁBĚNÍ ELEKTROIZOLAČNÍCH MATERIÁLŮ THE MACHINING OF ELECTRICAL INSULATION MATERIALS
DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER´S THESIS
AUTOR PRÁCE
Bc. MAREK SVOBODA
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2009
Ing. KAREL OSIČKA
Zadání
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 3
ABSTRAKT Tato práce se zabývá rozborem a definováním problémů při obrábění elektroizolačních kompozitních materiálů. Cílem je navržení nových variant řešení technologických podmínek a odzkoušení vybrané varianty. Dále provést pro tuto variantu ekonomické hodnocení. Klíčová slova Elektroizolační
materiály,
kompozity,
obrábění,
technologické
podmínky.
ABSTRACT This work aims to provide an analysis and definitions of problems during the machining of electrical insulation composite materials. The main objective of this work is to put forward innovative alternatives in order to deal with technological conditions. The chosen alternative is then subjected to both testing and economic evaluation. Key words Electrical insulation materials, composites, machining, technological conditions.
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE SVOBODA, M. Obrábění elektroizolačních materiálů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 71 s., 4 přílohy. Vedoucí práce Ing. Karel Osička
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 4
Prohlášení Prohlašuji, elektroizolačních
že
jsem
materiálů
diplomovou
vypracoval
práci
samostatně
na téma s použitím
Obrábění odborné
literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce.
29. 5. 2009
…………………………………. Bc. Marek Svoboda
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 5
Poděkování Děkuji tímto vedoucímu mé práce panu Ing. Karlu Osičkovi a panu Jurajovi Vražičovi z firmy Labara s.r.o. za cenné připomínky a rady při vypracování diplomové práce.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 6
OBSAH Abstrakt .......................................................................................................................... 3 Prohlášení...................................................................................................................... 4 Poděkování.................................................................................................................... 5 Obsah ............................................................................................................................. 6 Úvod ............................................................................................................................... 8 1 ROZBOR STÁVAJÍCÍHO STAVU OBRÁBĚNÍ ELEKTROIZOLAČNÍCH MATERIÁLŮ .................................................................................................................. 9 1.1 Charakteristika obráběných materiálů ............................................................. 9 1.1.1 Struktura obráběných materiálů ................................................................. 10 1.1.2 Vlastnosti obráběných materiálů, použití.................................................. 12 1.1.2.1 Textit J..................................................................................................... 13 1.1.2.2 Textit E .................................................................................................... 13 1.1.2.3 Sklotextit ARV ........................................................................................ 14 1.1.2.4 Sklotextit FR4......................................................................................... 14 1.1.2.5 Sklotextit Si............................................................................................. 15 1.1.2.6 Glastic UTR ............................................................................................ 15 1.1.2.7 Glastic FHT ............................................................................................ 16 1.1.2.8 Glastic SG – 200 ................................................................................... 16 1.1.2.9 Kartit ........................................................................................................ 17 1.1.3 Výroba kompozitních elektroizolačních materiálů ................................... 18 1.1.3.1 Výroba vrstvených kompozitů (desek) ............................................... 18 1.1.3.2 Výroba tyčí, profilů – tažení kompozitů (pultruze)............................ 19 1.2 Technologické podmínky obrábění ................................................................ 21 1.2.1 Používané nástrojové materiály ................................................................. 21 1.2.2 Řezné rychlosti a posuvy ............................................................................ 22 1.2.3 Používání procesních kapalin .................................................................... 22 1.2.4 Soustružení ................................................................................................... 23 1.2.5 Frézování ....................................................................................................... 24 1.2.5.1 Speciální nástroj k obrábění ................................................................ 25 1.2.6 Vrtání .............................................................................................................. 26 2 DEFINOVÁNÍ ZÁKLADNÍCH PROBLÉMŮ PŘI OBRÁBĚNÍ .......................... 28 2.1 Struktura materiálu ........................................................................................... 28 2.2 Opotřebení řezných nástrojů ........................................................................... 28 2.3 Teplota v místě řezu ......................................................................................... 29 2.4 Delaminace obráběných materiálů................................................................. 30 2.5 Tvorba třísek ...................................................................................................... 31 2.6 Upínání součástí ............................................................................................... 32 3 NÁVRH NOVÝCH VARIANT ŘEŠENÍ TECHNOLOGICKÝCH PODMÍNEK34 3.1 Volba řezných podmínek ................................................................................. 34 3.2 Použití procesní kapaliny při obrábění .......................................................... 35 3.3 Vliv technologických podmínek na parametry struktury povrchu .............. 38 3.4 Inovace technologických podmínek a postupu výroby součásti klínek .... 42 3.4.1 Stávající výroba klínku ................................................................................ 42 3.4.2 Návrh nové varianty výroby klínku ............................................................ 44 3.4.2.1 Výměna frézovacích kotoučů ze SK za kotouče z PKD ................ 45 3.4.2.2 Frézování klínků na CNC frézovacích centrech ............................... 45
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 7
3.4.2.3 Výroba klínků na čtyřstranné profilovací frézce ............................... 46 4 VÝBĚR OPTIMÁLNÍ VARIANTY A ODZKOUŠENÍ ......................................... 47 4.1 Výroba klínků na čtyřstranné profilovací frézce ........................................... 47 4.1.1 Charakteristika obráběcího stroje .............................................................. 48 4.1.2 Nástroje k obrábění klínků .......................................................................... 49 4.1.3 Navrhovaná technologie výroby klínků ..................................................... 51 4.1.4 Srážení náběhových hran horní frézkou .................................................. 53 5 VYHODNOCENÍ ŘEZNÝCH PODMÍNEK PRO VYBRANOU VARIANTU ... 55 5.1 Výpočet konstanty a exponentu Taylorova vztahu ...................................... 55 5.2 Volba nejvhodnější řezné rychlosti z hlediska minimálních výrobních nákladů ...................................................................................................................... 56 5.3 Volba nejvhodnější řezné rychlosti z hlediska maximální výrobnosti ....... 56 5.4 Vyhodnocení řezných podmínek .................................................................... 57 6 EKONOMICKÉ HODNOCENÍ ............................................................................. 58 6.1 Výpočet výrobních nákladů ............................................................................. 58 6.2 Výpočet minimální výrobní dávky ................................................................... 61 6.3 Výpočet návratnosti investice ......................................................................... 62 Závěr ............................................................................................................................ 64 Seznam použitých zdrojů .......................................................................................... 66 Seznam použitých zkratek a symbolů ..................................................................... 68 Seznam příloh ............................................................................................................. 71
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 8
ÚVOD Firma Labara s.r.o. sídlící nedaleko Velké Bíteše vznikla v roce 1995 za účelem obchodování s elektroizolačním materiálem. Tyto materiály vyznačující
se
nízkou
hmotností,
dobrými
mechanickými
vlastnostmi,
elektrickou pevností a odolností proti kyselinám za zvýšených teplot, jsou stále více žádány od zákazníků z řad elektroprůmyslu, automobilového průmyslu, ale i strojírenství a chemického průmyslu. Stále větší poptávka po těchto materiálech vedla k tomu, že v roce 1998 začala firma svým zákazníkům nabízet jejich opracování. Mezi základní operace patří řezání, soustružení, frézovaní a vrtání. (1) Jelikož se jedná o zpracování značného druhu materiálů různých mechanických vlastností, je určení technologických podmínek při obrábění složité. Nedostatek technické literatury a informací týkajících se obrábění těchto materiálů vedl k nespočetným pokusům a experimentům ke stanovení technologických podmínek. Konkurence podniků zabývajících se zpracováním těchto materiálů vytváří tlak, aby nastavení podmínek vedlo k co nejlepší kvalitě výrobků za současného snižování výrobních nákladů. Práce má za úkol popsat problémy při obrábění elektroizolačních materiálů, stanovit nejlepší podmínky při jejich obrábění. Dále se zabývá výrobou součásti klínek, pro kterou je navržen nový technologický postup výroby s vypracováním ekonomického hodnocení.
Obr. 1.1 Ukázka výrobků z elektroizolačních materiálů (1)
FSI VUT
1
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 9
ROZBOR STÁVAJÍCÍHO STAVU OBRÁBĚNÍ ELEKTROIZOLAČNÍCH MATERIÁLŮ Obrábění elektroizolačních materiálů v podmínkách firmy Labara s.r.o.
se rozumí frézování těchto materiálů na CNC frézkách, soustružení na CNC soustruzích a vrtání. Také je zde zajištěno dělení materiálu na ručních a CNC formátovacích pilách. Z hlediska struktury materiálu se jedná o kompozitní materiály.
1.1 Charakteristika obráběných materiálů Obráběné elektroizolační
materiály
jsou
zařazeny do skupiny
označované jako kompozity. Při jejich použití se očekává elektrická odolnost, elektrická pevnost, odolnost proti plazivým proudům a ostatní vlastností kladené na elektroizolanty. Dále se využívá jejich elektroizolačních schopností ve vlhkém prostředí, za zvýšených teplot a dobrých mechanických vlastností. Značná část laické, ale i technické veřejnosti se pod vlivem novinových a vědeckopopulárních článků domnívá, že kompozity jsou vynálezem druhé poloviny dvacátého století. Tato představa je však mylná, používání typických kompozitních materiálů lze vysledovat už v dávno zaniklých civilizacích, použití bylo hlavně ve stavebnictví. Již staří Babylóňané 3000 let před Kristem používali kompozity vyrobené ze směsi jílu (pojivo) a organických, většinou přírodních celulózových vláken (výztuže) k výrobě cihel. Tímto došlo k prvnímu cílenému, smysluplnému spojení dvou odlišných prvků (komponent) v novou entitu o vlastnostech nedosažitelných samostatně jednotlivými složkami. Použití přírodních kompozitů jako dřevo a kosti, či jiné živočišné stránky je mnohem starší. Velký rozmach komerčního využití kompozitů nastal během druhé světové války, kdy byly využívány pro vojenské účely a to leteckou, raketovou a námořní techniku. Díky objevům a výrobě pokročilých komponent o vynikajících vlastnostech, jsou kompozity používány v automobilovém průmyslu, elektrotechnice, stavebnictví, ale také k výrobě sportovních potřeb (hokejky,
golfové
hole,
tenisové
rakety,
oštěpy,
windsurfingová
a snowboardová prkna, lyže). Dnes se také tyto materiály s výhodou používají
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 10
v lékařství. Především v ortopedických a stomatologických oborech. Nové materiály inovují stávající produkty a mnohdy snižují jejich cenu za současné zvýšení životnosti. Jsou to materiály, jejichž význam ve všech oblastech techniky neustále roste. (2, 3)
Obr. 1.2 Relativní význam v průběhu staletí (4)
1.1.1 Struktura obráběných materiálů Kompozitními materiály jsou nazývány ty, které jsou tvořeny minimálně
dvěma
(komponentami).
výrazně
fyzikálně
a
Kompozity
poté
mají
chemicky ve
odlišnými
srovnání
složkami
s jednotlivými
komponentami výrazně lepší vlastnosti. Obecně kompozity mohou být typu kov – kov, keramika – kov, keramika – polymer, keramika – keramika a polymer – polymer. V současné
době
je
dostupná
velká
škála
kompozitních
elektroizolačních materiálů odlišujících se pojivem (pryskyřicí), typem a charakterem výztuží (typ vláken, tkaniny, rohože, rouna) a dále způsobem výroby (laminace, tažení, navíjení, odstředivé lití, atd.). Je nespočet možností, jak lze jednotlivé složky v kompozitu uspořádat. Zatímco pojiva mohou být v daném objemu materiálu plynule rozmístěná, výztuž vytváří geometricky ohraničenou oblast. Obrázek 1.3 ukazuje rozdělení kompozitů dle uspořádání
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 11
výztuže. Dalším z kritérií, jak lze kompozity dělit je orientace a délka vyztužujících vláken: (3) Jednosměrné (vlákna orientována převážně v jednom směru): - krátkovlákné (poměr délka / průměr; L/D < 100), - dlouhovlákné (L/D > 100 nebo kontinuální vlákna, vlákna s délkou rovnou rozměrům celého dílce). Mnohosměrné (vlákna jsou náhodně nebo pravidelně orientována dvěma či více směry): - krátkovlákné (L/D < 100), - dlouhovlákné (L/D > 100).
Částicový
Vláknový
Vrstvený
Obr. 1.3 Druhy kompozitů dle uspořádání výztuže (3)
Elektroizolační materiály v podobě listů, desek a tyčí tvoří dvě základní složky. Tvrdší, pevnější nespojitá složka se označuje výztuž. Výztuž (plnivo) je v podobě souvislých pásů tkanin, vláken či papírů. Používají se bavlněné a skelné tkaniny či celulózový papír. Spojitá a obvykle poddajná složka zastávající funkci pojiva výztuže se nazývá matrice, jsou to různé druhy pryskyřic (fenolická, epoxidová, polyamidová). Úkolem pojiva je jednak chránit výztuž před mechanickým či chemickým poškozením, tak i udržovat v dané poloze vůči namáhání a umožnit přenos vnějších napětí do výztuže. Nevyztužená pryskyřice má nízkou hustotu a je snadno zpracovatelná. Má dobrou stabilitu proti působení širokého spektra prostředí a chemikálií. Nevýhodou je nízký modul pružnosti, nízká pevnost a křehkost. Výztuž sice má požadovanou tuhost a pevnost, je však velmi křehká a náchylná
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 12
k poškození v agresivním prostředí. Navíc je velmi těžké udržet výztuž v požadovaném tvaru. (3, 5) 1.1.2 Vlastnosti obráběných materiálů, použití Kompozitní elektroizolační materiály mají před homogenními řadu výhod.
Kombinací jednotlivých druhů výztuží a matric lze získat nepřeberné
množství materiálů s naprosto odlišnými mechanickými a fyzikálními vlastnostmi. Často se tak podaří dosáhnout lepších výsledných vlastností, než by odpovídal součtu vlastností jednotlivých komponent. Toto je označováno jako synergie. Na výsledné vlastnosti kompozitu má také vliv geometrie vyztužení, jež je specifikována tvarem, velikostí a orientací výztuže. Větší obsah pryskyřice zvyšuje odolnost proti vlhkosti a stálost elektroizolačních vlastností. Přitom však zvyšuje jejich křehkost a zhoršuje mechanické vlastnosti, s výjimkou pevnosti ve smyku a odolnosti proti štípání. (2, 4, 6) Základní vlastnosti elektroizolačních kompozitních materiálů: (4) - elektrická nevodivost, - nulový útlum elektromagnetických vln, - nízká tepelná vodivost, - nízká měrná hmotnost, - dobré mechanické vlastnosti, - korozivzdornost, - snadná montáž a údržba. Díky elektrické nevodivosti jsou tyto materiály ideálními konstrukčními prvky k výrobě zařízení pracujících v blízkosti vedeni elektrické energie, v silnoproudé elektrotechnice a radiokomunikací. (4) V následujících podkapitolách jsou uvedeny nejčastěji obráběné elektroizolační materiály. Je zde pospáno jejich použití, základní mechanické a fyzikální vlastnosti. Jak již bylo popsáno výše, jednotlivé vlastnosti materiálů závisí na typu a vlastnostech jednotlivých komponent.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 13
1.1.2.1 Textit J Desky
jsou
vyrobené
z bavlněné
tkaniny
jako
výztuže
a krezolformaldehydové pryskyřice jako pojiva. Dobrá odolnost proti slabým kyselinám i při vyšší teplotě umožňuje jeho použití jako konstrukčního materiálu při stavbě strojů a zařízení v elektrotechnice. Má dobré mechanické a kluzné vlastnosti, tlumí nárazy. Používá se na výrobu kluzných ložisek, větších ozubených kol, kladek, kluzných částí strojů a zařízení, tlumících částí, skříňových částí, pák, táhel, ochranných kotoučů, podložek, obložení kluzných částí lisů, těžkých hoblovacích strojů a rámových pil. Představuje konstrukční materiál při stavbě strojů pracujících v agresivním prostředí. (1)
Obr. 1.4 Textit J
1.1.2.2 Textit E Desky jsou vyrobené z bavlněné tkaniny jako výztuže a modifikované krezolformaldehydové pryskyřice jako pojiva. Vyznačuje se výbornými kluznými a mechanickými vlastnostmi, dobrou opracovatelností. Oproti textitu J má lepší elektrickou pevnost a odpor ve vlhkém prostředí. Je vhodný na výrobu různých součástek vysoce mechanicky a elektricky namáhaných, používá se jako textit J pro elektrotechnické součástky se zaručenou elektrickou pevností a izolačním odporem na elektroizolační desky, kostry, tělesa přístrojů, skříňových částí rozvoden a rozvaděčů, elektrických strojů a transformátorů. (1)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 14
Tab.1.1 Informativní vlastnosti textitu (1)
Vlastnost
Jednotka Textit J Textit E g.cm-3
Hustota
1,3–1,4 1,3–1,4
Pevnost v ohybu při porušení kolmo na vrstvu
MPa
110
100
Vrubová houževnatost rovnoběžně s vrstvami
kJ.m-2
7,0
7,6
MPa
7000
7000
Modul pružnosti v ohybu 1.1.2.3 Sklotextit ARV
Vrstvený materiál ve tvaru desek, vyrobený z upravené skelné tkaniny jako výztuže. Pojivem je zde epoxidová pryskyřice. Kromě dobrých mechanických a elektroizolačních vlastností má i vysokou klimatickou odolnost. Používá se na výrobu součástek s dobrými mechanickými a elektrotechnickými vlastnostmi, pro elektrická zařízení pracující při vyšších teplotách nebo ve vlhkém prostředí, při namáhaných elektroizolačních součástkách, jako jsou kostry, tělesa přístrojů, skříňové částí rozvoden, transformátorů, rozvaděčů a elektrických strojů. (1)
Obr. 1.5 Sklotextit ARV
1.1.2.4 Sklotextit FR4 Vrstvený materiál ve tvaru desek, vyrobený z upravené nealkalické skelné tkaniny jako výztuže a epoxidové pryskyřice jako pojiva. Kromě dobrých mechanických a elektroizolačních vlastností jsou desky samozhášivé. Jeho uplatnění je podobné jako u sklotextitu ARV.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 15
1.1.2.5 Sklotextit Si Vrstvený materiál ve tvaru desek, vyrobený z nealkalické skelné tkaniny. Pojivo tvoří silikonová pryskyřice. Vyznačuje se vysokou teplotní odolností (teplotní třída H – do 180 °C) a dobrými dielektrickými vlastnostmi. Barva je voskově bílá až voskově žlutá. Je určený do elektrických zařízení teplotní třídy H a všude tam, kde se požaduje vysoká teplotní odolnost a malý pokles elektrických a mechanických vlastností při pracovních teplotách. Použití i ve vysokofrekvenční technice. (1) Tab.1.2 Informativní vlastnosti sklotextitu (1)
Vlastnost Hustota Pevnost v ohybu při porušení na vrstvu Pevnost v tlaku Vrubová houževnatost rovnoběžně s vrstvami Modul pružnosti v ohybu
Jednotka g.cm-3
Sklotextit AVR
FR4
Si
1,60–1,90 1,70–1,90 1,65–1,85
MPa
340
340
120
MPa
350
350
160
kJ.m-2
33
33
25
MPa
24000
24000
13000
1.1.2.6 Glastic UTR Ohnivzdorný laminát odolný proti elektrickému oblouku a plazivým proudům. UTR je zesílený polyesterový sklolaminát. K dispozici je v podobě desek, U – profilu a ve tvarech úhelníků. Tento materiál se pro svou odolnost proti plazivým proudům obecně používá pro elektrické izolace. Výborná kombinace velké síly, ohnivzdornosti a nízká hladina kouřivosti umožňují používání v mnoha dalších odvětvích, kde jsou zapotřebí bezpečné, nicméně ekonomické materiály. Standardní barva je červená nebo bílá. Elektroizolační materiál, vysoce ohnivzdorný, nehořlavý a s nízkou hladinou toxických látek. (1)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 16
Obr. 1.6 Glastic UTR
1.1.2.7 Glastic FHT Tento laminát poskytuje velkou flexibilitu a výbornou dielektrickou sílu při zvýšených teplotách. Rovněž projevuje nejvyšší teplotní index mezi flexibilními zesílenými polyestery v sílách 0,8 mm (190 oC) – 1,6 mm (200 oC). S touto výbornou odolností proti ohřevu je FHT laminát cenově výhodnou náhradou za aramidový papír ve 220 oC izolačních systémech. Používá se pro polohové a jádrové (cívkové) izolace pro suché typy transformátorů. Standardní barva tohoto laminátu je žlutohnědá. Vysoce flexibilní, výborné dielektrikum, vysoká žáruvzdornost, ideální pro suché typy transformátorů, materiál bez obsahu azbestu. (1) 1.1.2.8 Glastic SG – 200 Jedná se o silný, pevný, vysokoteplotní laminát nabízí stejný výkon a prospěšné vlastnosti jako FHT laminát. Laminát SG – 200 navíc nabízí větší mechanickou sílu s teplotním indexem do 210
o
C. Díky těmto svým
vlastnostem je ideální pro použití vyžadující vysokoteplotní materiály. Je hlavní náhrada za epoxidem lepenou slídu (v polohových izolacích). K dispozici je v přírodní žlutohnědé barvě. Extrémně pevný, silný, výborná stálost vlastností při zvýšených teplotách, ideální pro vysokoteplotní aplikace, bez azbestu, vhodný pro suché typy transformátorů. (1)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 17
Tab.1.3 Informativní vlastnosti glasticu (1)
Glastic Vlastnost
Jednotka
UTR
SG – 200
FTH
Pevnost v tahu
MPa
54
86
72
Pevnost v tlaku
MPa
228
248
97
Pevnost v ohybu
MPa
152
131
–
Poznámka: Výsledky jsou z testu s deskou silnou 1,6 mm. Hodnoty se nepatrně mění se silou.
1.1.2.9 Kartit Desky a
jsou
vyrobené
fenolformaldehydové
z celulózového
pryskyřice
jako
papíru
pojiva.
jako
Použití
při
výztuže stavbě
transformátorů ve formě izolačních mezistěn, různých konstrukčních prvků, krytů, vložek. Pro vysokou elektrickou a mechanickou pevnost jsou vhodné k výrobě izolačních táhel a dílců elektrických rozvaděčů. (1)
Obr. 1.7 Kartit Tab.1.4 Informativní vlastnosti kartitu (1)
Vlastnost Pevnost v ohybu kolmo na vrstvy Vrubová houževnatost Pevnost v tlaku
Jednotka MPa
150
kJ.m-2
20
MPa
120
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 18
1.1.3 Výroba kompozitních elektroizolačních materiálů K výrobě kompozitních elektroizolačních materiálů se používá různých druhů tkanin, skelných vláken a papírů jako výztuže. Matricí jsou zde tvrditelné pryskyřice. Polotovary pro strojní obrábění jsou ve formě desek (vrstvené kompozity, lamináty), tyčí a různých profilů. 1.1.3.1 Výroba vrstvených kompozitů (desek) Příprava k lisování spočívá v napouštění, následném vysušení tkanin a papírů na svislých napouštěcích strojích. Dýhy se napouštějí ve vanách s příslušným roztokem a suší v komorových sušárnách s nuceným oběhem vzduchu. Podle potřeby se jednotlivé vrstvy nařežou na listy, pásy, malé kousky nebo tvarové polotovary. Potřebná tloušťka stěny kompozitních výrobků je vytvořena z elementárních vrstev. Vlastnosti vzniklých laminátů závisí na uložení vláken v jednotlivých vrstvách a na způsobu vrstvení. Nařezané listy se po dostatečném prosušení skládají do vrstev. Požadovaná tloušťka stěn polotovaru je závislá na počtu vrstev s ohledem na stlačení materiálu při lisování. Před lisováním se materiály zkoušejí na obsah pryskyřice, vlhkost, prachových látek a tekutost. Podle druhu vyráběného materiálu se některé zkouší na fyzikální a mechanické vlastnosti. Napuštěná bavlněná tkanina k výrobě textitu různých druhů má obsahovat 45 až 55% pryskyřice. K výrobě sklotextitu má obsahovat skelná tkanina 30 až 40% pryskyřice. Celulózový papír k výrobě kartitu má obsahovat 40–55% pryskyřice daného druhu. Při lisování vrstvených kompozitních materiálů probíhají tyto základní děje: (5, 7) - ztvárnění pryskyřice ve výchozím vrstveném materiálu, - další prosycení vrstveného materiálu roztavenou pryskyřicí a jeho zhuštění účinkem tlaku a teploty, - přechod pryskyřice ve tvrdý, nerozpustný stav, - odstranění značné části prchavých látek z materiálu.
FSI VUT Značný
DIPLOMOVÁ PRÁCE význam
pro
dosažení
výhodnějších
List 19 elektrických
a mechanických vlastností materiálu má co nejúplnější odstranění vlhkosti a prchavých látek. Vrstvy listů se vkládají mezi hladké kovové desky namazané oleinovou kyselinou. Lisování probíhá ve vytápěných etážových hydraulických lisech za teplot 145–150 °C. Čas a tlak potřebný na
protvrzení desek vybraných
materiálů je uveden v tabulce číslo 1.5. (7, 8) tab. 1.5 Čas a tlak potřebný na protvrzení desek z vybraných materiálů (7)
Název vrstveného materiálu Sklotextit (různé druhy)
Tloušťka
Doba protvrzování na
desky
každý milimetr tloušťky
[mm]
[min]
0,5–0,75 a více
Měrný tlak [MPa]
4–5
2–5
Textit (různé druhy)
0,5–100
4–5
8–12
Kartit
0,3–80
5
8–12
Obr. 1.8 Hydraulický etážový lis (9)
1.1.3.2 Výroba tyčí, profilů – tažení kompozitů (pultruze) Pultruze je proces kontinuální výroby vyztužených pryskyřic různých tvarů a délky tažením. Vstupní materiál je směs tekuté pryskyřice a vláknové výztuže. Proces zahrnuje tažení svazků vláken, rohoží a tkanin ze zásobníku
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 20
výztuží a následném prosycení výztuže v pryskyřičné lázni. Dále následuje tvarování prosycené výztuže do požadovaného profilu, vytvrzení a dělení na požadovanou délku. Postup pultruze: (3, 10) - soustava vláken, rohoží a roun je tažena s předepsaným předpětím, - výztuž je tažena do předepsané lázně, - vstup do předtvarovacího prostoru, tvarovací a vytvrzovací hlavy, - za vytvrzovací hlavou je tažné zařízení, které je nositelem pohybu celé linky, - za tažným zařízením je pila, která automaticky řeže profil na požadovanou délku. Výhodou pultruze jsou velmi dobré vlastnosti vytvořených materiálů, neomezené možnosti tvarů profilů a nekonečná délka vyrobených dílců. Dále vysoká produktivita, stupeň automatizace a malé nároky na lidskou práci. Nevýhodou jsou poměrně vysoké investiční náklady na pořízení a drahý provoz, dále nutnost kvalitního řídícího systému. (3)
Obr. 1.9 Nákres typické pultruzní linky (3)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 21
1.2 Technologické podmínky obrábění Obráběné elektoizilační kompozitní materiály firmou Labara jsou vyztužené skelnou, bavlněnou případně papírovou matricí v různé formě, orientace i obsahu. Tyto materiály patří do skupiny se specifickými vlastnostmi, jejichž použití spolu s požadavky na nástroje neustále vzrůstá. Jejich obrábění je obtížné, volba vhodných řezných nástrojů a technologických podmínek vyžaduje pečlivý přístup. Nejrozšířenější obráběcí operace při zpracování těchto materiálů je řezání, soustružení frézování a vrtání. Obrábět lze na běžných kovoobráběcích nebo dřevoobráběcích strojích. Kromě geometrie a materiálu řezného nástroje mají značný vliv na kvalitu obrábění elektroizolačních kompozitních materiálů i řezné podmínky. Záleží na správně zvoleném posuvu a otáčkách, aby byl zajištěn správný řez. To znamená zamezit tření nástroje o povrch obrobku. Neřeže-li správně nástroj, dochází k delaminaci nebo lámání vláken. (4, 12) 1.2.1 Používané nástrojové materiály Vzhledem k nutnosti zajistit neustále ostrý a hladký břit, je nutno zabránit práci s opotřebovanými nástroji. Nástrojové materiály pro obrábění elekotroizolčních materiálů jsou voleny podobně jako při obrábění oceli. Lze použít nástrojů z rychlořezných ocelí, ale při jejich používání se musí očekávat nízké hodnoty trvanlivosti. Důvodem je nižší hodnota tvrdosti a tím menší schopnost odolávat abrazivnímu opotřebení. Lepších vlastností nástrojů lze dosáhnout použitím povlaků. Pro
obrábění
kompozitních
materiálů
vyztužených
abrazivními
skelnými vlákny jsou vhodné jemnozrnné slinuté karbidy. Mají vyšší tvrdost, díky které lépe odolávají opotřebení. I zde je pro zvýšení trvanlivosti používáno povlaků různých druhů na bázi karbidů, nitridů, oxidů nebo diamantu. Při používání nástrojů z polykrystalického diamantu (PKD) je dosahováno nejlepších výsledků. Jejich vysoká tvrdost a dobrá tepelná vodivost, jež zaručuje rychlý odvod tepla z místa řezu je předpokladem pro vysokou kvalitu obrobené plochy a dobrou trvanlivost břitu. Díky ostrému břitu,
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 22
který vydrží dlouhou dobu obrábět, je eliminována tvorba delaminace a lámání vláken. Při nadměrném opotřebení břitu se vlákna odlamují, než aby byla řezána. U vhodně nastavených technologických parametrů obrábění, lze s nástroji z PKD zvýšit produktivitu o 50 až 100 %. (12) 1.2.2 Řezné rychlosti a posuvy Vzhledem ke skutečnosti, že obráběné materiály nejsou zařazeny v katalozích od výrobců nástrojů, byly řezné rychlosti a posuvy stanoveny na základě experimentů a získaných zkušeností. Technolog firmy Labara volí velikosti posuvů a rychlostí pro obrábění vrstvených kompozitních materiálů v závislosti na hodnotách uváděných pro obrábění ocelí (označení u výrobců břitových destiček ze slinutých karbidů skupina P). Řezná rychlost je volena o 25–30 % nižší než jsou hodnoty pro ocel a posuv je volen o 15–20 % vyšší. Volby vyšších posuvů a nižších řezných
rychlostí
jsou
voleny
z důvodů
problémů
při
obrábění
elektroizolačních materiálů, zejména tavení a vytahování vláken z matrice. 1.2.3 Používání procesních kapalin Procesní kapaliny lze s výhodou použít při obrábění materiálů, jejichž výztuží jsou skelná vlákna. Kapalina má snižovat vliv abraze vyztužujících vláken, ochlazovat břit nástroje a tím zvyšovat jeho trvanlivost. V praxi se nejlépe osvědčilo používání procesní kapaliny Chestertom 575 opticool. Jež je vodou ředitelná kapalina obsahující minerální olej, alkanolaminy a deriváty kyseliny borité. Míchá se v poměru 5–6 %. Pro zvýšení životnosti procesní kapaliny, se do ní přidává přípravek Chestertom 080 sump conditioner v poměrů 1 %. Pro zajištění elektroizolačních vlastností se obráběné dílce musí vysušit v elektrické peci při teplotě 60–70 °C po dobu cca půl hodiny. Procesní kapalina nesmí být použita při obrábění materiálů, které jsou tvořeny papírem či textiliemi. Například textit a kartit. Při použití kapaliny by tyto materiály nasákly vodou a nemohou být dále používány ve výrobě. (13)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 23
1.2.4 Soustružení Při soustružení kompozitních elektroizolačních materiálů se musí volit podmínky na základě již zmíněných obtíží při obrábění. Vzhledem k vysokým abrazivním účinkům vyztužujících skelných vláken a vysoké teplotě v místě řezu,
není
vhodné
používat
k soustružení
těchto
materiálů
nástrojů
z rychlořezných ocelí či slinutých karbidů. Ani povlaky těchto nástrojů výrazně neovlivní opotřebení a trvanlivost je nízká. I s ohledem na vyšší pořizovací cenu břitových destiček se v praxi ukázalo nejvýhodnější používat VBD osazené břitem z polykrystalického diamantu. Malé břity z PKD jsou pevně uchyceny na břitových destičkách ze slinutého karbidu, které jim zaručují pevnost a odolnost proti tepelným a rázovým šokům. Jejich trvanlivost je mnohonásobně vyšší v porovnání s ostatními nástrojovými materiály. Pro soustružení kompozitních materiálů, jejichž výztuží nejsou skelná vlákna, je výhodné použít VBD ze slinutých karbidů. Volba geometrie nástroje má také výrazný vliv na trvanlivost a jakost obrobené plochy. Doporučuje se volit pozitivní geometrii řezného břitu (α0 = 10° až 12°, γ0 = 18° až 20°). Přepočítané řezné rychlosti a posuvy pro VBD ze slinutých karbidů jsou v tabulce 1.6. Soustružením jsou vyráběny válcové a kuželové součástí, závitové drážky, zápichy, osazení a také slouží k upichování. Přesnost obrobených ploch je v rozmezí IT9 až IT11, dosažitelná průměrná aritmetická úchylka profilu je 3,2 µm (hodnoty se liší v závislosti na druhu obráběného materiálu). (4, 7, 14) Tab. 1.6 Doporučené přepočítané řezné podmínky pro soustružení kompozitních elektroizolačních materiálů od firmy Sandvik Coromant (15)
Dokončovací
Střední
Hrubovací
soustružení
soustružení
soustružení
1
2,5
4
Posuv na otáčku fn [mm]
0,25
0,45
0,50
Řezná rychlost vc [m.min-1]
370
340
270
Šířka záběru ostří ap [mm]
Poznámka: Velikosti posuvů a rychlostí přepočítány dle vztahu z kapitoly 1.2.2.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 24
1.2.5 Frézování Vrstvené elektroizolační materiály se frézují pouze sousledným frézováním, tj. směr posuvu a otáčení frézy je shodný. Při obrábění nesousledným frézováním, tj. otáčení frézy proti směru posuvu se jednotlivé vrstvy či vlákna vytrhávají z matrice. Od soustružení a vrtání se frézování liší přerušovaným řezem a tím zvýšení možnosti vytrhávání jednotlivých vláken a
vrstev.
a
tím
Další
vznik
nevýhodou
vyšších
nároků
přerušovaného na
celkovou
řezu tuhost
je
vznik
soustavy
chvění stroj
–
nástroj – obrobek. Nástrojovými materiály jsou voleny zejména povlakované rychlořezné oceli
a
slinuté
karbidy.
Použití
destiček
osazených
polykrystalickým
diamantem je vzhledem k již zmíněnému přerušovanému řezu nevhodné. Extrémní velikosti posuvů na zub fz mají velký vliv na jakost obrobené plochy. Při práci s malým posuvem (fz < 0,05 mm) se často objevuje podrývání vláken. Při obrábění tvrzeného papíru (kartit) malými řeznými rychlostmi se tyto materiály obrábí špatně, jakost obrobeného povrchu je velmi nekvalitní. Snížením posuvu se jakost nezlepší, spíše naopak zhorší. Velká hodnota posuvů na zub může vyvolat vznik značného tepla a obráběný materiál může začít hořet. Frézováním se vyrábí rovinné plochy, drážky a výřezy různých tvarů. Nástroje jsou používány válcové, čelní, rohové a také speciální frézy. Přesnost obrobené plochy dosahuje hodnot IT11 – IT13. Dosahovaná průměrná aritmetická úchylka profilu Ra = 1,6 µm (hodnoty se liší v závislosti na obráběném materiálu). (4, 7) V tabulce 1.7 jsou uvedeny doporučené řezné podmínky pro frézy ze slinutého karbidu (skupina P). U povlakované frézy je povlak TiAlN nanášen metodou PVD.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 25
Tab. 1.7 Doporučené přepočítané řezné podmínky pro frézování kompozitních elektroizolačních materiálů od firmy Hoffmann Group (16)
Ø Frézy [mm]
Řezná Fréza
rychlost vc
4
-1
[m.min ]
6
12
16
20
Posuv na zub fz [mm]
Nepovlakovaná FR
60
0,025
0,035
0,080
0,100
0,140
Povlakovaná FR
110
0,025
0,050
0,100
0,130
0,160
Poznámka: Materiál fréz je slinutý karbid (skupina P). U povlakované frézy je povlak TiAlN nanášen metodou PVD. Velikosti posuvů a rychlostí přepočítány dle vztahu z kapitoly 1.2.2.
1.2.5.1 Speciální nástroj k obrábění Pro obrábění elektroizolačních materiálů vyztužených skelnými vlákny, se pro frézování malých hloubek záběrů nejlépe osvědčily nástroje, na jejichž pracovní plochy jsou naneseny zrna polykrystalického diamantu. (obr. 1.10)
Obr. 1.10 Opotřebovaný nástroj s vrstvou zrn z PKD
Tělo nástroje je vyrobeno z konstrukční oceli (například 11 523). Na pracovní plochy jsou nanášena zrna polykrystalického diamantu do velikosti 450 µm. Typ pojiva je kovový. Tělo nástroje je vyráběno firmou Labara, nanášení zrn PKD obstará specializovaná firma. Ze získaných zkušeností jsou pro lepší odvod prachu a třísek z ploch nástroje po obvodě nástroje vytvořené drážky. U nástrojů, které tyto drážky
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 26
neměly, docházelo k zanesení pracovních ploch a vzniku vysokých teplot. Následně hrozil vznik požáru. Nedoporučují se obrábět větší plochy než je 0,5 průměru nástroje, také z nebezpečí vzniku vysokých teplot v důsledku zanášení pracovních ploch nástroje. Použití
tohoto
nástroje
dovoluje
nastavení
vysokých
řezných
a posuvových rychlostí. V tabulce 1.8 jsou tyto hodnoty uvedeny pro nástroj průměru 80 mm. Trvanlivost takto vyrobených nástrojů je mnohokrát vyšší než nástrojů z RO a SK. Tab. 1.8 Řezné podmínky pro obrábění kompozitních elektroizolačních speciálním nástrojem
Šířka záběru ostří ap [mm]
max 5
Rychlost posuv vf [m.min-1]
5
Řezná rychlost vc [m.min-1]
1500
Otáčky n [min-1]
6000
1.2.6 Vrtání Vrtání
patří
mezi
nejčastější
způsob
obrábění
kompozitních
elektroizolačních materiálů. Slouží k výrobě děr pro šrouby, nýty, kolíky a další spojovací součásti. Obecně platí, že pro dosažení vyšší jakosti obrobených ploch je vhodné používat vrtáky s co nejmenší délkou příčného ostří, s pozitivní geometrií a s ostrým břitem. Při vrtání se používá vrtáků klasických tvarů. Nástrojové materiály mohou být z rychlořezné oceli ať už s povlakem, či bez povlaku. Nevýhodou těchto vrtáků je velmi nízká trvanlivost. U vrtáků ze slinutých karbidů lze očekávat vyšší trvanlivost. Při použití celokarbidových, monolitních vrtáků, které mohou být po otupení znovu několikrát přeostřovány, se očekává dlouhá životnost. I při vrtání vede použití nástrojů z polykrystalického diamantu k nejvyšším hodnotám trvanlivosti a životnosti nástroje, ovšem za vyšší pořizovací cenu. Dosažitelná přesnost je v rozmezí IT 10 až 13. Průměrná aritmetická úchylka profilu Ra = 3,2 µm (hodnoty se liší v závislosti na obráběném
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 27
materiálu). V tabulce 1.9 jsou uvedeny řezné podmínky pro vrták z rychlořezné oceli bez povlaku, v tabulce 1.10 vrták z RO s povlakem TiN. (4, 12) Tab. 1.9 Doporučené přepočítané řezné podmínky pro vrtání kompozitních elektroizolačních materiálů od firmy Hoffmann Group (16)
Průměr vrtáku [mm]
Řezná rychlost
Posuv na otáčku
-1
vc [m.min ]
fn [mm]
0,2–4,9
0,04
5,0–7,9
0,09
8,0–11,9
30
0,12
12,0–15,9
0,23
16,0–20,0
0,25
Poznámka: Vrtáky z rychlořezné oceli bez povlaku. Velikosti posuvů a rychlostí přepočítány dle vztahu z kapitoly 1.2.2. Tab. 1.10 Doporučené přepočítané řezné podmínky pro vrtání kompozitních elektroizolačních materiálů od firmy Hoffmann Group (16)
Průměr vrtáku [mm]
Řezná rychlost
Posuv na otáčku
-1
vc [m.min ] 1,0–4,9 5,0–7,9 8,0–11,9
fn [mm] 0,03
48
12,0–13,0 Poznámka: Vrtáky z rychlořezné oceli s povlakem TiN. Velikosti posuvů a rychlostí přepočítány dle vztahu z kapitoly 1.2.2.
0,06 0,12 0,16
FSI VUT
2
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 28
DEFINOVÁNÍ ZÁKLADNÍCH PROBLÉMŮ PŘI OBRÁBĚNÍ
2.1 Struktura materiálu Obráběné elektroizolační kompozitní materiály (tvořeny různými druhy plniv a pojiv) jsou typické svojí anizotropií. Je to díky různé směrové orientaci výztuží. Vlastnosti se výrazně liší a to ve směru a napříč výztuže. Dále také významně ovlivňuje vlastnosti obráběných materiálů plnivo, jelikož špatně odvádí vzniklé teplo a zalepuje funkční plochy řezného nástroje – to zejména čelo. Další komplikací při obrábění těchto materiálů je nízká tepelná odolnost při vyšších teplotách (ve srovnání s kovy) a tak nejsou kompozitní materiály stálé. Je nutné volit takové řezné podmínky, aby nebyla překročena takzvaná kritická teplota. Při ní dochází k degradaci pryskyřičné matrice a na obrobeném povrchu se začnou objevovat natavené či spálené oblasti, dále dochází ke ztrátě funkce pojiva. Tou je ochrana výztuže před poškozením a přenos napětí působící na materiál do výztuže. Za maximální kritickou teplotu při obrábění lze označit teplotu skelného přechodu Tg daného polymerního pojiva (např. pro epoxidovou pryskyřici Tg = 130 °C). Velikosti řezných a posuvových rychlostí limitující vznik kritické teploty při obrábění za daných technologických podmínek nejsou jasně definovány. Záleží na zkušenostech a poznatcích technologa a obsluhy stroje, jelikož teplota je ovlivňována mnoha faktory (stav nástroje, velikosti posuvu, rychlosti, použití procesních kapalin a dalších). Několikanásobná tepelná roztažnost proti kovovým materiálům musí být brána na zřetel jak při samotné volbě technologických podmínek obrábění, tak i při následné kontrole rozměrů a tvarové přesnosti. (1, 4)
2.2 Opotřebení řezných nástrojů Proces opotřebení nástroje je velmi složitý děj, závisí na mnoha faktorech.
Na
fyzikálně
–
mechanických
vlastnostech
obráběného
a obráběcího materiálu, druhu obráběcí operace, geometrii nástroje a také na řezných podmínkách. Opotřebení se projevuje ztrátou materiálu nástroje na čele nebo na hřbetě.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 29
Vyztužující vlákna působí na nástroj silným abrazivním účinkem a jsou jedním z největších příčin intenzivního opotřebení břitu nástroje. Zejména obsah skelných vláken působí na intenzitu opotřebení. Z důvodu, že sklo v Mohsově stupnici tvrdosti sousedí se slinutými karbidy, karbidem křemíku a boru vyplývá, že všechny ostatní materiály (mimo diamantu) budou velmi intenzivně opotřebovány. Nadměrné tepelné zatížení nástroje (viz kapitola 2.3) také výrazně zvyšuje intenzitu jeho opotřebení. Schopnost břitu odolávat abrazivnímu otěru je z větší části závislé na jeho tvrdosti. Řezný materiál obsahující hustou strukturu tvrdých částic odolává abrazivnímu opotřebení lépe, ovšem nemusí tak dobře odolávat jiným mechanizmům opotřebení. (4, 12, 17)
Obr. 2.1 Mikroskopický pohled na řezný nástroj z rychlořezné oceli, bez povlaku, VB = 1,33 mm (12)
2.3 Teplota v místě řezu Při obrábění je značná část (až 98 %) veškeré mechanické energie Ee přeměněno na tepelnou energii Qe. Zbytek je uložen jako elastická energie v deformovaných třískách a ve zbytkové napjatosti obrobené plochy. Tepelnou energii pak tvoří několik složek (17): Q Kde:
QS
Qγ
Qα
QC
E
(2.1)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 30
QSh – teplo způsobené plastickou deformací ve smykové rovině, Qγ – teplo způsobené třením mezi třískou a čelem nástroje, Qα – teplo způsobené třením mezi obrobenou plochou a hřbetem nástroje, QCh – teplo způsobené utvářením a dělením třísky. Vzhledem k nízké tepelné vodivosti obráběných materiálů přestupuje vzniklé teplo do obráběného materiálu a do třísky pouze v malém rozsahu. Zbytek tepla je tedy odváděn nástrojem, což jej nadměrně tepelně zatěžuje a výrazně zvyšuje intenzitu opotřebení. V tabulce číslo 2.1 jsou uvedeny podíly jednotlivých zdrojů odvedeného tepla. Je–li to možné vzhledem k povaze obráběného materiálu, je vhodné použít při obrábění procesních kapalin. Ty chladí nástroj a odvádí část vzniklého tepla v místě řezu. (12) Tab. 2.1 Odvod tepla [%] při obrábění kompozitních materiálů ve srovnání s ocelí (12)
Odvod tepla
Ocel
Termoplast
Reaktoplast
CFRP
GFRP
75
50–57
2–3
5–8
8–10
Obrobkem
20–22
15–20
5–8
5–10
10–15
Nástrojem
3–5
20–25
80–90
70–80
60–70
Třískou
Prostředím
3–5
Poznámka: CFRP – kompozity vyztužené uhlíkovými vlákny, GFRP – kompozity vyztužené skelnými vlákny.
2.4 Delaminace obráběných materiálů Delaminace je častým typem poškození které vzniká především u vrtání a frézování vrstvených kompozitních materiálů. Dochází k ní jak na vstupu (odlupování povrchové vrstvy) tak i na výstupu (odlupování neobrobené vrstvy pod nástrojem). Při vrtání šroubovitým vrtákem probíhá delaminace postupně ve dvou fázích a to působení příčného a hlavního ostří na materiál obrobku (obr. 2.2). Fáze působení příčného ostří začíná v momentě, kdy tlaková síla tohoto ostří působící na neobrobenou vrstvu materiálu dosáhne kritické hodnoty a končí v okamžiku, kdy ostří pronikne ven.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 31
Obr. 2.2 Fáze vzniku delaminace (6)
Při deformaci se nejprve vytvářejí v okolí osy nástroje malá vydutí, poté se šíří ve směru vláken povrchové vrstvy. Dosáhne–li vydutí mezní hodnoty, povrchová vrstva se rozevře a příčné ostří se dostane ven. Tímto okamžikem nastává druhá fáze – působení hlavního ostří. Delaminace vzniklá v první fázi se působením tlaku a otáčivého pohybu nástroje dále rozvíjí. Příčné ostří řeže materiál obrobku s negativním úhlem a tvoří více jak 50 % celkové posuvové síly. Delaminace u vrstvených materiálů nenastane uvnitř vrstvy, ale pouze mezi jednotlivými vrstvami laminátu. Mimo nastavení řezných podmínek má na delaminaci také značný vliv stav ostří nástroje. Není–li nástroj dostatečně ostrý, vlákna nejsou deformována střihem, ale mají sklon se před ostřím ohýbat a dále jsou vytahávána z matrice. (6)
2.5 Tvorba třísek Při obrábění elektroizolačních materiálů nevzniká pouze drobivá tříska, ale vytváří se také drobné částečky třísek v podobě hrubého prachu. Tříska se nevytváří pouze plastickou deformací, ale je tvořená také lámáním materiálu. Vzniklý prach a tříska je odváděna z místa řezu procesní kapalinou nebo vzduchovým odsáváním, kterým je vybavena většina obrábějících strojů. Odsávání také zajišťuje bezprašnost pracovního prostředí, aby nebyly překročeny zdravotní a hygienické limity pracovního prostředí. Problémem při použití procesních kapalin je zanášení čistících filtrů a nádrží v chladícím okruhu obráběcího stroje. Částice prachu jsou tak malé, že je čistící síta a filtry ve spojení s emulzí nezachytí a následně se usazují na dně nádrže.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 32
Při frézování drážek není odsávání účinné, podtlak nasávající prach a třísky není tak velký, aby byl schopen třísky z místa řezu odstranit. Je–li to možné z technologického hlediska, je výhodnější použít procesní kapaliny. (4)
2.6 Upínání součástí Nízký modul pružnosti materiálů a potažmo i nižší tuhost obrobku může komplikovat upínání i samo obrábění. Doporučují se nižší řezné a menší upínací síly, působící ve více bodech. Tenkostěnné ploché díly lze upnout na pneumatické stoly. Na upínací ploše stolu je vyfrézován rastr s roztečí 20 x 20 mm a v těle je zabudován rozvod podtlaku. Pro bezpečné upnutí součásti je velikost podtlaku 0,9 MPa. K vymezení upínací plochy pod obráběným polotovarem je do rastru zastrčena těsnící guma, která také zajistí upnutí desek, jež nejsou dostatečně rovné. Pro tenkostěnná pouzdra se k jejich upnutí používají upínací trny, aby se zabránilo deformacím.
Obr. 2.3 Upnutí desky sklotextitu ARV na pneumatickém stole při frézování
Při upínání vrstvených materiálů pro vrtání je třeba upínat obrobky tak, aby nástroj byl kolmo ke směru vláken, zabrání se tak vyštipávání výztuže z matrice. Dojde–li při upínání k průhybu obráběné desky, dochází tak k rozměrovým a tvarovým neshodám s požadovanými rozměry. Pokud
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 33
technologické podmínky dovolí použití již zmíněného upínání pomocí podtlaku na pneumatických stolech, jsou tyto vady minimalizovány. Upnutí součásti při obrábění na strojích je provázeno vznikem deformací, které jsou částí celkové deformace pružné soustavy stroj – obrobek – nástroj. Tyto deformace mají velký vliv na přesnost obrábění. Působením upínací síly se deformuje obrobek i jeho povrchové vrstvy v místech styku s ustavovacími plochami stroje nebo přípravku. (6, 11)
FSI VUT
3
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 34
NÁVRH NOVÝCH VARIANT ŘEŠENÍ TECHNOLOGICKÝCH PODMÍNEK
3.1 Volba řezných podmínek Konkurenceschopnost ve všech oborech lidské činnosti a také strojírenství vyžaduje stálý rozvoj výrobních technologií. Konkurence neustále nutí výrobce produkovat výrobky s minimálními cenami, to znamená s minimálními náklady. Tedy, aby při výrobě používali dané výrobní prostředky s nejlepšími výrobními podmínkami, kterými rozumíme všechny faktory určující obráběcí proces. Nejsou–li při výrobě používány tyto podmínky, to znamená, že nejsou využívány
všechny
technicko–ekonomické
rezervy,
musí
docházet
k ekonomickým problémům. Při dlouhodobém trvání těchto podmínek nemohou podniky počítat s perspektivním uplatněním na trhu. Technická příprava výroby (TPV) má využít takových konstrukčních, technologických a projektových řešení, které zajistí prostřednictvím výrobních systémů dosažení maximální produktivity a efektivity práce. Součástí technické přípravy je i volba nejvýhodnějších řezných podmínek. Vzhledem k nízké úrovni znalostí problematiky obrábění kompozitních elektroizolačních materiálů, je jednou z nejslabších článků TPV stanovení těchto řezných podmínek. To je stanovení hodnot určujících nejvýhodnější podmínky podle zvoleného kritéria v rámci omezujících podmínek, jež určují danou technologii. Podstatou volby řezných podmínek je stanovení nejvýhodnějších hodnot řezné rychlosti, posuvu a záběru ostří s ohledem na trvanlivost nástroje. (18, 19) Vždy
je
nutné
zvolit,
podle
jakého
kritéria
budeme
hledat
nejvýhodnější řezné podmínky. Zda na základě minimálních nákladů, či maximální výrobnosti. Kritérium minimálních nákladů Vychází z nejnižších nákladů k obrobení jednoho kusu daných vztahem: (20) · Kde:
·
·
·
(3.1)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 35
NC… náklady na vyrobení jednoho kusu, tas … jednotkový strojní čas, Nsm … náklady na minutu strojní práce, tav … jednotkový vedlejší čas, Nvm … náklady na minutu vedlejší práce, Nt … náklady na nástroj a jeho výměnu vztažené k jedné trvanlivosti, T … trvanlivost nástroje, τ … poměr celkové a obráběné délky. Kritérium maximální výrobnosti Vychází
z celkového
minimálního
času
potřebného
k obrobení
jednoho kusu bez ohledu na výrobní náklady, daného vztahem: (20) (3.2) Kde: tC … celkový čas na obrobení jednoho kusu, tas … jednotkový strojní čas, tav … jednotkový vedlejší čas, tAX … čas jednotkové nepravidelné obsluhy, Q … počet dílců obrobených za jednu trvanlivost nástroje.
3.2 Použití procesní kapaliny při obrábění Jak již bylo popsáno v kapitole 1.2.3, používání procesních kapalin při obrábění elektroizolačních materiálů je omezeno vlastnostmi obráběného materiálu. Je–li možné procesní kapalinu použít, snižují se abrazivní účinky vyztužujících vláken a kapalina také odvádí část vzniklého tepla. Ke
stanovení
vlivu
procesní
kapaliny
na
proces
obrábění
elektroizolačních materiálů se vychází z obrábění součásti výztuha (výrobní výkres příloha č. 1, technologický postup pro frézování za sucha příloha č. 2). Součást je z materiálu sklotextit ARV. Tento materiál je těžko obrobitelný, vznikají vysoké teploty a abrazivní účinek výztuhy značně tupí břit nástroje. Nástroje používané k obrábění součásti výztuha jsou uvedeny v tabulce 3.1. Jedná se o frézy ze slinutého karbidu (skupina P) s povlakem
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 36
TiAlN. Technologický postup je stejný jak pro obrábění za sucha, tak s použitím procesní kapaliny. Velikosti posuvů f, přísuvů f´ a otáček n jsou uvedeny v tabulce číslo 3.2. V podmínkách, kdy je při obrábění použita procesní kapalina, jsou hodnoty posuvu zvětšeny cca o 30 %, řezná rychlost o cca 35 %. Tab. 3.1 Nástroje k obrábění součásti výztuha
Číslo nástroje
Nástroj
Použití
1.
Fréza Ø16 - kulová
Obrábění R20
2.
Fréza Ø20
Hrubování v 1. operaci
3.
Fréza Ø12
Dokončení obvodů
4.
Fréza Ø12 – R1
Obrábění R1
5.
Fréza Ø12
Hrubování v 2. operaci
6.
Fréza Ø8 – R2
Obrábění R2
Tab. 3.2 Řezné podmínky při obrábění součásti výztuha
Frézování za sucha
Frézování s proc. kapalinou f f´ n [mm. [mm. [min-1] min-1] min-1] 3900 900 780
2900
f [mm. min-1] 700
f´ [mm. min-1] 600
FR Ø12
1250
500
500
1680
650
650
FR Ø16
2000
2500
500
2700
3250
650
FR Ø20
1000
450
400
1350
580
520
Nástroj
n [min-1]
FR Ø8
V první operaci jsou hrubována a následovně dokončena horní vybrání součásti a část obvodu. Potřebné nástroje pro obrábění jsou uvedeny v tabulce 3.1, pozice 1–4. Polotovar je upnut na pneumatickém stolu podtlakem 0,9 MPa, tento tlak zajistí jeho bezpečné upnutí během obrábění. Při
frézování
s
procesní
kapalinou
je
nutné
použít
mezi
vývěvou
a pneumatickým stolem přepadovou nádobu, která zamezí přístupu kapaliny do filtru vzduchu. V druhé operaci je obrobek upnut pomocí upínek v přípravku a obroben nástroji z tabulky 3.1, pozice 3–6 na požadovaný tvar a rozměry. Při obrábění s použitím procesní kapaliny se musí pro zajištění elektroizolačních vlastností materiálu výrobek vysušit v elektrické peci po dobu cca půl hodiny.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 37
Vyhodnocení trvanlivosti řezných nástrojů za podmínek daných tabulkou 3.2 pro výrobu součástky výztuha je uvedeno v tabulce 3.3 a grafu 3.1. Při použití procesních kapalin je trvanlivost řezných nástrojů o 15–30 % vyšší a to i v případě, když jsou zvětšeny hodnoty posuvů a řezných rychlostí. Tab. 3.3 Trvanlivosti řezných nástrojů T [min]
Číslo
Nástroj
Trvanlivost při frézování za sucha T [min]
Trvanlivost při frézování s procesní kapalinou T [min]
1.
Fréza Ø16 - kulová
60
70
2.
Fréza Ø20
330
430
3.
Fréza Ø12
310
405
4.
Fréza Ø12 – R1
380
480
5.
Fréza Ø12
305
400
6.
Fréza Ø8 – R2
260
300
Graf 3.1: Vyhodnocení trvanlivosti řezných nástrojů při frézování za sucha a s procesní
Trvanlivost [min]
kapalinou
500 400 Trvanlivost při fr. za sucha
300 200
Trvanlivost při fr. s procesní kapalinou
100 0 1
2
3
4
5
6 Číslo nástroje
Výsledky potvrdily dobré účinky procesní kapaliny na proces obrábění – kratší doba obrábění, zvýšení trvanlivosti břitu nástroje. Nevýhodou je nutnost obrobené výrobky sušit, tím rostou náklady na výrobu a prodlužuje se celkový čas výroby součástí (doba nutná k vysušení je 0,5
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 38
hodiny a počet kusů v peci je omezen). Celkový čas obrábění součásti je však kratší, než při obrábění za sucha. S ohledem na vlastnosti materiálu lze obecně obrábění za sucha použít pouze v případě, kdy hrozí možné finanční sankce ze strany odběratelů za nedodržení časových termínů z důvodu vysoušení součástí.
3.3 Vliv technologických podmínek na parametry struktury povrchu Parametry struktury jsou uvažovány průměrná aritmetická úchylka profilu Ra a nejvyšší výška profilu Rz. Při obrábění kovových materiálů má jeden z rozhodujících vlivů na výslednou hodnotu Ra a Rz velikost řezné rychlosti a posuvu. Pro výraznou změnu jakosti povrchu při obrábění kompozitních elektroizolačních materiálů tvořených různými druhy plniv a pojiv, musí být změna posuvů a řezných rychlostí značná (až několikanásobná). V souvislosti s obráběným materiálem je rozhodujícím faktorem pro dosažitelnou průměrnou aritmetickou úchylku profilu a nejvyšší výšku profilu různá směrová orientace výztuží, její hustota a velikost jednotlivých vláken. Tyto hodnoty lze ovlivnit polohou polotovaru při jeho upínání a tím určit orientaci vyztužujících vrstev vůči obráběcímu nástroji a to zejména u frézování. Při soustružení nemá orientace vláken tak výrazný vliv na sledované hodnoty povrchu. Zde jednoznačně nelze určit směr obráběné plochy k vyztužujícím vláknům.
a)
b)
Obr. 3.1 Frézované zkušební vzorky: a) kolmo na směr vrstev vláken; b) rovnoběžně na směr vrstev vláken
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 39
Ke stanovení nejvýhodnější orientace výztuže vůči obráběné ploše bylo provedeno frézování ploch kolmo a podél vrstev výztuží na vzorcích z materiálu sklotextit ARV (vlastnosti viz 1.1.2.3). Obrázek 3.2 ukazuje frézované plochy a směry měření. Dále byl sledován vliv procesní kapaliny na dosažitelnou jakost. Nástrojem byla čtyřbřitá fréza průměru 20 mm. Materiál frézy je slinutý karbid bez povlaku. Řezné podmínky uvedeny v tab. 3.4. Tab. 3.4 Řezné podmínky pro frézování sklotextitu ARV
Řezná rychlost vc [m.min-1]
80
Posuv na zub fz [mm]
0,1
Otáčky n [min-1]
1250
Hloubka záběru ostří ap [mm] Druh frézování
2 Sousledné
Pro měření parametrů povrchu Ra a Rz byl použit dotykový profiloměr Math Perthometr M2 s držákem (obrázek č. 3.3). Měřící rozsah profiloměru je do 150 µm. K upnutí zkušebních vzorků byl použit univerzální svěrák. Jakost povrchu profilů vzorků byla měřena ve 2 směrech – kolmo a podél směru vyztužujících vrstev. Délka měřených úseků 1,75 mm.
Obr. 3.2 Vymezení směrů a ploch pro měření
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 40
Naměřené hodnoty jsou shrnuty v tabulkách 3.5 a 3.6. Záznamy hodnot měření pro frézované plochy kolmo k vrstvám výztuhy bez procesní kapaliny jsou přiloženy v příloze č. 3. Nejlepších výsledků parametrů Ra a Rz je dosaženo při frézování ploch kolmých na směr vrstev výztuže s použitím procesní kapaliny. Při nastavení řezných podmínek udávajících tab. 3.4, je nejlepší dosažená hodnota průměrné aritmetické úchylky profilu Ra = 1,057 µm. Hodnota nejvyšší výšky profilu Rz = 5,74 µm. Nejhorších výsledků za stejných řezných podmínek je dosaženo při frézování ploch rovnoběžných s vrstvou výztuhy bez použití procesní kapaliny. Jakost neobrobených povrchů, vzniklých při výrobě desek je Ra = 0,108 µm, Rz 1,07 µm. Pro zajištění elektroizolačních vlastností celého výrobku, jsou na obrobené plochy na požadavek zákazníka nanášeny speciální vrstvy laku. Tato vrstva se musí zohlednit při obrábění přesných lícovaných rozměrů. Tab. 3.5 Hodnoty Ra, Rz při frézování kolmo na směr výztuže
Frézování
Směr měření vůči výztuži
Ra [µm]
Rz [µm]
Kolmo
2,047
11,3
Rovnoběžně
1,715
9,58
S procesní
Kolmo
2,428
13,2
kapalinou
Rovnoběžně
1,057
5,74
Bez procesní kapaliny
Tab. 3.6 Hodnoty Ra, Rz při frézování rovnoběžně se směrem výztuže
Frézování
Směr měření vůči výztuži
Ra [µm]
Rz [µm]
Kolmo
2,529
15,82
Rovnoběžně
3,235
16,7
S procesní
Kolmo
2,336
12,4
kapalinou
Rovnoběžně
1,618
8,58
Bez procesní kapaliny
Na základě provedených měření lze vhodnou orientací vrstev vláken vůči obráběné ploše ovlivnit parametry průměrné aritmetické úchylky profilu a nejvyšší výšky profilu. U frézování s použitím procesní kapaliny jsou dosaženy lepší hodnoty sledovaných parametrů.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 41
Při měření ploch frézovaných rovnoběžně s vrstvou výztuhy nemá směr měření výrazný vliv na výslednou hodnotu. Jednotlivá vlákna jsou v matrici uložena téměř se stejnou hustotou. Rozdíl v hodnotách průměrné aritmetické úchylky povrchu Ra v naměřených hodnotách je do 0,7 µm. Směr měření ploch frézovaných kolmo k vrstvám má na hodnoty Ra a Rz značný vliv. Ve směru vrstev výztuže záleží, zda se měřící hrot pohybuje rovnoběžně s jednotlivými vrstvami výztuže či pojiva. Tyto hodnoty jsou vždy lepší než údaje získané měřením kolmo na vrstvy. Zde hrot přejíždí jednotlivé vrstvy. Pro objektivní určení hodnoty Ra a Rz obráběného povrchu je právě tento způsob nejlepší.
Obr. 3.3 Profiloměr Math Perthometr M2
Zvolením vhodného způsobu obrábění a měření struktury povrchu obrobené plochy se na základě provedeného experimentu mohou jednotlivé hodnoty lišit (až 3x). Tento fakt může být problémem při případných reklamacích ze strany zákazníka. Již při řezání polotovarů z vrstvených desek je nutné zvolit co nejvýhodnější orientaci vyztužujících vrstev vzhledem k dalším obráběcím operacím, zejména frézování.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 42
3.4 Inovace technologických podmínek a postupu výroby součásti klínek Obecně lze inovaci definovat jako každou změnu, tedy i tu, která bude pro výrobu systému nepříznivá, ovšem cílem je dosáhnout zlepšení. Často se totiž pod pojmem inovace považuje pouze změna přinášející zlepšení ve struktuře výrobního systému. (21) Tato kapitola bude zaměřena na inovaci výroby a technologických podmínek při výrobě součásti klínek (výrobní výkres příloha č. 4). Ačkoli se jedná o poměrně tvarově a rozměrově jednoduchou součástku, je vzhledem k vysokému výrobnímu množství tvarově podobných součástí stávající výroba nevyhovující. Klínky z materiálu sklotextit ARV (kapitola 1.1.2.3), jsou používány v elektromotorech do rotorů i statorů. Roční výroba tvarově podobných klínků je dvr = 250000 ks. Jednotlivé druhy se liší pouze nepatrně v jednotkách milimetrů, či velkosti zkosení hran.
Obr. 3.4 Model klínku
3.4.1 Stávající výroba klínku Polotovar pro výrobu klínku je řezán na ručních nebo CNC formátovacích pilách z tabulí sklotextitu dané tloušťky. Šířku polotovaru určuje délka klínku. Pro bezpečné upnutí desek polotovaru pomocí svěráku a zamezení ohybu desek mimo čelisti svěrák je maximální délka polotovaru 500 mm. Dále jsou tyto desky frézovány na nástrojové frézce FN 40 na požadované rozměry. Jednotlivé sady nástrojů jsou tvořeny třemi kotoučovými
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 43
frézami upnutými na horizontálním vřetenu (obr. 3.5). Maximální počet klínků vyrobených při jenom upnutí je 5 kusů.
Obr. 3.5 Upnutí kotoučových fréz
Fréza uprostřed ø160 mm frézuje boky klínků na požadovanou šířku. Dvě šikmé frézy ø150 mm zajišťují sražení hran. Řezné podmínky jsou uvedeny v tabulce 3.7. Pro nastavení požadované šířky klínku jsou mezi jednotlivé sady fréz vloženy distanční kroužky. Materiálem fréz je slinutý karbid, trvanlivost nástrojů je cca 900 min za řezných podmínek udávajících tabulka 3.7. Tab. 3.7 Řezné podmínky pro výrobu klínků
Řezná rychlost vc [m.min-1]
145
Rychlost velikosti posuvu vf [m.min-1]
2,5
Otáčky n [min-1]
300
Jelikož při řezání polotovarů v řezárně nejsou vždy všechny strany na sebe kolmé, či rovné jsou pro bezpečnější a pevnější upnutí polotovaru čelisti strojního svěráku podbroušeny pod úhlem 10°, dále jsou upraveny, aby bylo možné frézovat celý klínek při jednom upnutí (obr. 3.6). Takto upravené čelisti zajistí polohu obrobku vůči nástroji.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 44
Obr. 3.6 Upnutí desky ve strojním svěráku
Poslední operací je ruční broušení náběhových hran 15°. To je broušeno na hranové brusce se sklopným nastavitelným brusným pásem. Brusný pás papíru je stejného typu jak pro broušení dřeva. Problémy vznikající při výrobě klínku stávajícím způsobem se dají definovat takto: - rozdílná výška vyrobeného klínku, která závisí na síle desek polotovarů; tolerance dodávaných desek skolotextitu tloušťky 6 mm je dle normy ČSN EN 60893–3–2 ± 0,6 mm, - díky průhybu desek polotovaru mezi pevnou a pohyblivou čelistí svěráku je rozdílný rozměr uprostřed a na krajích klínku; záleží na obsluze frézky, jakou silou dotáhne upínací svěrák, - ztrátová doba při přejezdu stolu rychloposuvem zpět do výchozí polohy pro obrábění, - rozměrová a tvarová přesnost ručně broušené náběhové hrany je značně závislá na zkušenosti pracovníka, - celkově je výroba klínku vzhledem k vysokému výrobnímu množství zdlouhavá, málo automatizovaná a hlučná. 3.4.2 Návrh nové varianty výroby klínku Výrobní postup součásti klínek popsaný v kapitole 3.4.1 lze realizovat i jinými způsoby. Navrhované výrobní postupy a technologické podmínky mají vést ke snížení výrobních nákladů z hlediska délky výroby a opotřebení
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 45
nástrojů, dále také ke zpřesnění tvarů a rozměrů. V neposlední řadě práci učinit bezpečnější a z hlediska hygieny práce vhodnější. 3.4.2.1 Výměna frézovacích kotoučů ze SK za kotouče z PKD Varianta povede k možnosti nastavení vyšších řezných a posuvových rychlostí. Trvanlivost nástrojů bude několikanásobně delší, což také se zkrácením výrobních časů povede ke snížení celkových výrobních nákladů. Celý technologický postup zůstává nezměněn, tudíž pro zavedení této varianty jsou investičními náklady pouze nové nástroje. Tento návrh výroby však nezamezí ztrátovému času při zpětném pohybu rychloposuvem pracovního stolu do výchozí polohy ani nezpřesní celkovou výrobu klínku. 3.4.2.2 Frézování klínků na CNC frézovacích centrech Další variantou je možnost obrábět klínky na CNC frézovacích centrech, kterými je dílna vybavena. Polotovar z desek tloušťky odpovídající rozměru klínku musí být v řezárně nadělen na přesné rozměry klínku bez přídavků na obrábění. Dále ve dvou frézovacích operacích srážet hrany. Kusy upínat do sklopných svěráků, kde se zajistí správné nastavení zkosení klínku. Jako nástroj použít stopkovou frézu ze slinutého karbidu. Pro delší trvanlivost břitu nástroje použít frézy s povlakem. Tato technologie odstraní rozměrovou nepřesnost v šířkách klínku, které budou mít po celé své délce požadovanou hodnotu. Frézovací centra umožňují obrábění s použitím procesní kapaliny, což umožňuje nastavení vyšších řezných a posuvových rychlostí a omezení abrazivního účinku vyztužujících skelných vláken. Trvanlivost nástroje je předpokládána delší a ve srovnání se stávající variantou celkové náklady na nástroj nižší. Nevýhodou je možnost upnutí pouze jednoho klínku a nutnost klínek obracet z důvodu frézování sražení na obou stranách. Z ekonomického hlediska je hodinová sazba obrábění na CNC frézkách dražší než na nástrojové frézce a celkový čas výroby klínku na CNC frézce nelze očekávat kratší než u stávající výroby.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 46
3.4.2.3 Výroba klínků na čtyřstranné profilovací frézce Jak již bylo uvedeno, vrstvené elektroizolační materiály lze obrábět na dřevozpracujících strojích. Další z možností jak vyrábět klínky je použití čtyřstranné profilovací frézy určené ke zpracování dřeva. Na tomto stroji použít speciální tvarové nástroje s vrstvou zrn PKD (kapitola 1.2.5.1), jež budou schopny bez problémů obrábět skolotextit a dovolí nastavení vysokých řezných a posuvových rychlostí. Polotovar je řezán na pásy libovolné délky (záleží na rozměru dodávaných desek sklotextitu) a šířky s přídavkem na obrábění. Výška klínku je při obrábění polotovaru, který má díky značné výrobní toleranci desek vyšší hodnotu, než je požadovaný rozměr klínku, také obráběna. Po obrobení základního tvaru klínku (profilu), lze tyto pásy řezat na požadovanou délku klínku pomocí pokosové či formátovací pily. Náběhové hrany klínku, lze frézovat horní dřevoobráběcí frézkou s nástrojem se zrny z PKD. Od této varianty lze očekávat snížení výrobních časů, zvýšení rozměrové a tvarové přesnosti výrobků dále dlouhá doba trvanlivosti nástrojů. Z hlediska bezpečnosti a hygieny práce je tato varianty také výhodná, pracovní prostor stroje je na rozdíl od nástrojové frézky FN 40 opatřen bezpečnostním krytem a je již od výrobce vybaven odsáváním. Nevýhodou je značná výše investice ve srovnání s ostatními navrhovanými variantami, nutnost zaškolit pracovníky k obsluze a údržbě nového stroje a jistá doba nutná pro zavedení nové výrobní technologie.
FSI VUT
4
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 47
VÝBĚR OPTIMÁLNÍ VARIANTY A ODZKOUŠENÍ Navrhované varianty řešení nové výroby klínku vyžadují různou míru
investic a změn v technologickém postupu. Záleží na vedení podniku, kterou z nich bude realizovat. Z hlediska výše nákladů je nejlevnější výměna kotoučových fréz ze SK za frézy z PKD, ovšem tato varianta nepřinese výrazné zpřesnění výroby, ani nelze očekávat výrazné snížení nákladů spojených se zkrácením výrobních časů. Frézováním klínků na CNC frézkách se zajistí rozměrová a tvarová přesnost, ovšem výrobní čas bude delší a cena za provoz stroje dražší. Tuto variantu lze použít pouze v případech, kdy hrozí možné finanční sankce ze strany zákazníků za neplnění včasných termínů, případně při poruše ve stávající variantě výroby. Od použití nové čtyřstranné profilovací frézky je očekáván nejvyšší přínos pro zpřesnění a zkrácení výrobních časů, proto je tato varianta dále rozebrána. Pro odzkoušení bude proveden propočet výrobních časů a nákladů spojených se zavedením této varianty ve srovnání se stávající výrobou.
4.1
Výroba klínků na čtyřstranné profilovací frézce Jak již bylo zmíněno, zavedení této varianty výroby klínků vyžaduje
investici do nového obráběcího stroje i do nástrojů. Výrobní postup se změní od přípravy polotovaru až po finální broušení náběhových hran klínku.
Obr. 4.1 Čtyřstranné profilovací frézka CPF 18/4 (22)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 48
4.1.1 Charakteristika obráběcího stroje Čtyřstranné profilovací frézky vyrábí řada výrobců. Pro navrhovanou variantu řešení bude použita frézka CPF 18/4 od firmy Rojek a. s. Při realizaci varianty rozhodne o dodavateli stroje cenová nabídka, poskytovaný servis a další podmínky dodání stroje. Stroj je určen pro výrobu hranolů, profilů, úkosů a zaoblení hran. Stojan je masivní konstrukce, která zabezpečuje stabilitu a vysokou přesnost obrábění. Horizontální a vertikální obráběcí jednotky mají samostatné motory. Podélné válečky jsou hnány pomocí řetězových převodů. Vybrané technické parametry jsou uvedeny v tabulce 4.1. (22) Tab. 4.1 Vybrané technické parametry frézky CPF 18/4 (22)
Maximální rozměr obráběného kusu [mm]
180 x 120
Minimální rozměr obráběného kusu [mm]
16 x 6
Minimální délka obráběného kusu [mm]
250
Průměr vřetena [mm]
40
Maximální otáčky vřetena n [min-1]
6000
Maximální rychlost posuvu vf [m.min-1]
12
Průměr podávacích kol [mm]
120
Minimální rozměr obráběných kusů je 6 x 16 mm, pro obrábění menších kusů je nutné použít přídavné vodící lišty, jež umožní jejich přesné vedení a následné obrobení. Polotovar bude strojem veden nastavitelnými dorazy, které zajistí požadovanou šířku klínku. Pohyb bude realizován pomocí drážkovaných vstupních a výstupních válečků. Pro zamezení zvedání polotovaru z desky stolu a bezpečnějšího vedení, budou pásy materiálu přitlačovány pomocnými tlačnými kotouči. Nástroje pro první operaci, které obrábí výšku a šířku klínku, budou upnuty na vertikální vřeteno. Pro obrábění zkosení ve druhé operaci budou nástroje upnuty na horizontální vřeteno. K vymezení požadované šířky lze mezi kotouče vkládat například distanční kroužky. Odvod prachu a třísek zajistí odsávání, kterým je stroj vybaven již od výrobce. Pro zvýšení
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 49
bezpečnosti práce a zamezení úniku prachu je celý pracovní prostor opatřen krytem.
Obr. 4.2 Pracovní prostor frézky CPF 18/4 (22) 1. Vertikální vřeteno, 2. Horizontální vřeteno, 3. Odsávání, 4. Nastavitelný doraz, 5. Pevný doraz, 6. Vstupní válečky, 7. Výstupní váleček, 8. Tlačné kotouče.
4.1.2 Nástroje k obrábění klínků Pro obrobení základního tvaru klínků ve dvou operacích bude zapotřebí tří nástrojů. Těla těchto nástrojů budou vyrobena z konstrukční oceli a na jejich pracovní plochy budou nanesena zrna PKD do velikosti 450 µm. Pojivo použít kovové. Jak bylo uvedeno v kapitole 1.2.5.1, pro lepší odvod prachu a třísek je výhodné na nástroji vytvořit drážky. Průměry otvorů pro upnutí nástrojů na vřetena jsou 40 mm. Pro takto vyrobené nástroje lze po dohodě s technologem nastavit hodnoty řezných rychlostí a posuvů dle tabulek 4.2 a 4.3. Dále není nutné při obrábění za těchto podmínek používat procesní kapalinu, jelikož šířka záběru je malá.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 50
Tab. 4.2 Řezné podmínky pro obrábění klínků v první operaci
Otáčky vřetena n [min-1]
4500
Řezná rychlost vc [m.min-1]
2150
Rychlost posuvu vf [m.min-1]
8
V první operaci se obrábí šířka a výška klínků. Nástroje budou upnuty na vertikálním vřetenu (obr. 4.3). Nástroj č. 1 obrábí polotovar na požadovanou šířku, druhý nástroj výšku klínku. Pro zajištění ostrých přechodů mezi obrobenými plochami a zajištění jejich kolmosti je nástroj č. 2 odlehčen a obráběcí plocha nástroje č. 1 je pod úrovní pracovní plochy nástroje č. 2. Pro zamezení obrábění pouze jednou plochou nástroje č. 1, lze pro zvýšení jeho trvanlivosti mezi nástroje vložit podložky. Tyto nástroje lze použít pro výrobu všech typů klínků a tvarově podobných součástí.
Obr. 4.3 Nástroje pro obrábění v první operaci 1. Nástroj pro obrábění šířky klínku, 2. Nástroj pro obrábění výšky klínku, 3. Vertikální vřeteno, 4. Vrstvy zrn PKD
Tvarové nástroje pro obrábění zkosení ve druhé operaci jsou dány tvarem klínků (hodnotou úhlu zkosení). Jsou navrženy nástroje stejného typu jak v první operaci – se zrny PKD. Upnuty jsou na horizontálním vřetenu a pro
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 51
nastavení požadované šířky jsou mezi nástroji distanční kroužky (obr 4.4). Tyto nástroje lze použít jen pro klínky se stejnou hodnotou zkosení, což je jejich jistou nevýhodou. Tab. 4.3 Řezné podmínky pro obrábění klínků ve druhé operaci
Otáčky vřetena n [min-1]
4800 -1
Řezná rychlost vc [m.min ]
2150
Rychlost posuvu vf [m.min-1]
8
Obr. 4.4 Nástroje pro obrábění v druhé operaci 1. Tvarové nástroje, 2. Horizontální vřeteno, 3. Distanční kroužky, 4. Vrstvy zrn PKD
4.1.3 Navrhovaná technologie výroby klínků Navrhovaná technologie klínků se zcela liší od stávající – a to již od přípravy polotovaru až po konečné srážení náběhových hran.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 52
Polotovar ve tvaru pásů sktotextitu ARV řezat z celých tabulí (standardní rozměr 1100 x 2050 mm). Délka pásu polotovaru bude řezána dle šířky tabule. Šířka jednotlivých pásů je dána rozměry klínku zvětšených o přídavek 2–3 mm na obrábění. Přes značné výrobní tolerance desek, lze po dohodě se zákazníkem používat pro výrobu polotovarů klínků desky o stejné tloušťce jak je požadovaná výška klínků. Navrhovanou variantou obrábění nebudou vyráběny klínky, jejichž rozměr bude přesahovat požadovanou výšku. Polotovary nižších rozměrů však na výšku obrobeny nebudou. Nařezané polotovary daných rozměrů dále obrábět na navrhované profilovací frézce ve dvou operacích. Tento stroj umožní používat výše uvedené nástroje za řezných podmínek daných tabulkami 4.2 a 4.3. Po seřízení stroje vkládat pásy polotovaru do vstupní části obráběcího prostoru a pomocí drážkovaných válečků budou poháněny k obráběcím nástrojům. V první operaci bude klínek obroben na požadovanou šířku a výšku klínku (nástroje obr. 4.3). Následně je obrobený pás dopraven pomocí výstupních válečků do připravené bedny. Další operací na frézce CPF 18/4 bude srážení hran pomocí tvarových nástrojů upnutých na horizontálním vřetenu (obr. 4.4). Pohyb polotovaru bude zajištěn stejně jak v první operaci. Po obrobení základního profilu klínku bude tento polotovar nařezán pokosovou či formátovací pilou na požadované rozměry. Materiál pilových kotoučů používat slinutý karbid.
Obr. 4.5 Formátovací pila PK 320 A (23)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 53
4.1.4 Srážení náběhových hran horní frézkou Nynější způsob broušení náběhových hran klínků (pro zpracovaný příklad 15°) je broušení na hranové brusce (obr. 4.6) brusným papírem. Životnost tohoto papíru je díky vyztužujícím vláknům materiálu a vysokému počtu broušených klínků malá. Tvarová i rozměrová přesnost náběhové hrany je značně závislá na zkušenosti pracovníka. Velikost úhlu je nastavena sklonem brusného pásu. Délka broušené plochy ovšem závisí na době a síle, kterou je klínek tlačen na brusný pás.
Obr. 4.6 Hranová bruska HB 800 (24)
Pokud se vedení firmy rozhodne investovat finance do nové technologie výroby klínků, je možné pro srážení náběhových hran použít horní frézku s naklápěcí hlavou (obr. 4.7). Tímto strojem lze přesně obrábět požadovaný úhel sražení, jež bude nastaven při vyklopení vřetene stroje. Stroj je dále nutné vybavit přípravkem pro upínání a vedení klínků. V pevné části přípravku tvořené základní deskou upnutou na stole frézky jsou navrženy vodící lišty. Ty zajistí posun pohyblivé části přípravku v ose y. Tento pohyb zajistí obsluha. Klínky budou upnuty do pohyblivého upínače. K nastavení délky klínku a vymezení vzdálenosti v ose x slouží nastavovací šroub s opěrnou deskou. Pro bezpečné upnutí a zamezení pohybu klínků při jejich obrábění, je přípravek vybaven přítlačnou lištou. Hrubý návrh přípravku je na obrázku 4.8. Obráběcí nástroj bude vyroben z konstrukční oceli s nanesenými zrny z PKD (kapitola 1.2.5.1)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 54
Obr. 4.7 Horní frézka s naklápěcí hlavou Griggio G80 (25)
Obr. 4.8 Návrh přípravku 1. Základní deska, 2. Vodící lišty, 3. Pohyblivý upínač, 4. Nastavovací šroub, 5. Opěrná deska, 6. Přítlačná lišta Tato varianta nebude dále více probírána, jedná se pouze o jeden z návrhů, jak vyrábět náběhové hrany klínků s vyšší přesností. Od této varianty nelze očekávat výrazné zkrácení výrobních časů v dané operaci, ale bude zajištěna rozměrová a tvarová přesnost.
FSI VUT
5
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 55
VYHODNOCENÍ ŘEZNÝCH PODMÍNEK PRO VYBRANOU VARIANTU Pro vyhodnocení řezných podmínek navrhované varianty jsou vstupní
hodnoty
používané
v následujících
výpočtech
stanoveny
na
základě
dosavadních poznatků a zkušenostech technologa s obráběním sklotextitu ARV (kapitola 1.1.2.3) nástroji se zrny PKD (kapitola 1.2.5.1). Použití těchto nástrojů dovolí nastavení značných posuvových a řezných rychlostí (vC = 2150 m.min-1), jež jsou mnohonásobně vyšší, než u stávající varianty výroby klínků kotouči ze SK. Takto nastavenými řeznými podmínkami dojde k výraznému zkrácení celkové doby obrábění. Očekávaná trvanlivost nástrojů používaných při obrábění klínků v obou operacích je T = 9000 minut. Pro vyhodnocení řezných podmínek bude posuzována očekávaná trvanlivost, řezná rychlost a doba obrábění. Úpravou Taylorova vztahu a vzorců 3.1 a 3.2 bude určena nejvýhodnější velikost řezné rychlosti pro kritérium minimálních výrobních nákladů a maximální výrobnosti.
5.1 Výpočet konstanty a exponentu Taylorova vztahu K hodnocení řezných podmínek vybrané varianty pomocí Taylorova vztahu
je
pro
výpočet
exponentů
m
a
cT
použito
navrhovaných
a předpokládaných hodnot (vc1, T1). Dále hodnot dosažených při obrábění podobným nástrojem za obdobných řezných podmínek (vc2, T2). Obecný Taylorův vztah definující trvanlivost nástroje: (17) (5.1) Z grafického znázornění závislosti trvanlivosti na řezné rychlosti v logaritmickém tvaru je vypočten exponent m, který nejvíce charakterizuje vlastnosti řezného nástroje. tan
log log
log log
log 15000 log 9000 log 2150 log 1900
4,13
(5.2)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 56
Úpravou vzorce 5.1 a dosazením známých hodnot je vypočtena hodnota konstanty cT, která závisí na materiálu obrobku a nástroje. ·
9 000 · 2150
,
(5.3)
5,21 · 10
5.2 Volba nejvhodnější řezné rychlosti z hlediska minimálních výrobních nákladů Úpravou a dosazením do vztahu 3.1 tak, aby přímé náklady byly funkcí
trvanlivosti,
dále
následným
nalezením
minima
této
funkce
a matematickými úpravami určíme rovnici pro optimální trvanlivost z hlediska minimálních výrobních nákladů. Dosazením této rovnice do Taylorova vztahu 5.1 a úpravou dostaneme vztah 5.4 pro nejvýhodnější velikost řezné rychlosti z hlediska minimálních výrobních nákladů: · 1 · ·
5,21 · 10 · 10,16 4,13 1 · 1 · 4000
3478
,
(5.4)
·
Kde: Nsm jsou náklady na minutu strojní práce:
60
610 60
10,16 č
(5.5)
τ má zohledňovat poměr celkové délky obráběné plochy a celkové délky dráhy stroje, kdy je zapnut. V tomto případu se τ = 1. Nt jsou náklady na stroj a jeho výměnu vztažené na jednu trvanlivost.
5.3 Volba nejvhodnější řezné rychlosti z hlediska maximální výrobnosti Po obdobných úpravách vzorce 3.2 a dosazením do Taylorova vztahu dostaneme vztah pro určení velikosti nejvýhodnější řezné rychlosti z hlediska maximální výrobnosti:
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
1 ·
5,21 · 10 4,13 1 · 30 · 1
· 6488
List 57
,
(5.6)
·
5.4 Vyhodnocení řezných podmínek K vyhodnocení řezných podmínek navrhované varianty, kdy je předpokládaná trvanlivost nástrojů 9000 minut při nastavené řezné rychlosti 2150 m.min-1, byly vypočteny konstanty m a cT. Pomocí Taylorova vztahu a vztahů pro výpočet maximální výrobnosti a minimálních nákladů byly určeny velikosti řezných rychlostí pro daná kritéria (vCoptV = 6488 m.min-1, vCoptN = 3478 m.min-1). Optimální řezná rychlost vztažená k minimálním výrobním nákladům a maximální výrobnosti má být v rozmezí vypočítaných hodnot. Její velikost nastavit na základě zvoleného kritéria. Omezující podmínkou volby řezné rychlosti jsou v posuzovaném případě maximální otáčky používaného stroje. Otáčkami 6000 m.min-1 lze dosáhnout maximální řezné rychlosti 3390 m.min-1 pro nástroj průměru 180 mm. Omezujícími kritérii pro volbu řezné rychlosti navrhované technologie obrábění jsou tedy maximální možnost nastavení otáček stroje 6000 za minutu a velikost řezné a posuvové rychlosti. Tyto rychlosti musí být voleny tak, aby nebyla překročena takzvaná kritická teplota (kapitola 2.1). Pro nedostatek vstupních informací k výpočtu, mají dosažené výsledky omezující vypovídající hodnotu. I přes tuto skutečnost má na základě výpočtů na volbu velikosti řezné rychlosti rozhodující vliv maximální možné nastavení otáček vřetene stroje a vznik tepla v průběhu obrábění. Po realizaci tohoto návrhu výroby klínku a provedení dostatečného počtu měření, lze po jejich vyhodnocení určit reálné hodnoty koeficientů m a cT. Na jejichž základě lze stanovit nejvýhodnější řezné podmínky pro zvolené kritérium.
FSI VUT
6
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 58
EKONOMICKÉ HODNOCENÍ Ekonomické hodnocení pro navrhovanou variantu výroby klínků je
provedeno na základě výpočtu celkových výrobních nákladů. Totéž je provedeno také pro stávající variantu. Dále je vypočtena minimální výrobní dávka, pro kterou je výhodnější použit navrhovanou variantu a doba návratnosti investice.
6.1 Výpočet výrobních nákladů Výpočet jednotlivých nákladů je proveden pro klínek číslo výkresu K41079. Ve spolupráci s technologem byly vypracovány tabulky 6.1 a 6.2, ve kterých jsou jednotlivé časy a náklady pro dané operace. Cena na přímý materiál Nm = 6,70 Kč/kus. Počet kusů ve výrobní dávce je dv = 5000 kusů. Jelikož si obsluha seřizuje a nastavuje stroj a nástroje sama, jsou mzdové tarify MtACi a MtBCi stejné. Výpočet je proveden těmito vzorci: (18) Náklady na přímé mzdy se započtením provozní režie NmACi [Kč/kus]: ·
60
· 1
100
(6.1)
Kde: tACi je jednotkový čas s podílem času směnového v dané operaci [min], MtACi je mzdový tarif pro čas tACi [Kč.hod-1], R je režie provozu [%]. Náklady na přímé mzdy se započtením provozní režie NmBCi [Kč/dávka]: ·
60
· 1
100
(6.2)
Kde: tBCi je dávkový čas s podílem času směnového v dané operaci [min], MtBCi je mzdový tarif pro čas tBCi [Kč.hod-1]. Náklady na provoz stroje NpsACi [Kč/kus] za čas tACi: ·
60
(6.3)
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 59
Kde: Nhsi jsou náklady za hodinu provozu stroje [Kč.hod-1]. Náklady na provoz stroje NpsBCi [Kč/dávka] za čas tBCi: ·
(6.4)
60
Náklady závislé na počtu kusů v dávce Nzd [Kč/kus]: (6.5) Náklady nezávislé na počtu kusů v dávce Nnd [Kč/dávka]: (6.6) Výrobní náklady na dávku Nvd [Kč/dávka]: ·
(6.7)
Tab. 6.1 Výchozí hodnoty pro výpočet výrobních nákladů stávající variantou:
Pracoviště
tAC
tBC
[min/kus] [min/dáv]
MtAC
MtBC
Nhs
R
[Kč/hod]
[Kč/hod]
[Kč/hod]
[%]
Pila PK 320 A
0,080
10
80
80
340
450
FN 40
0,160
80
90
90
450
450
Bruska HB 800
0,070 režie
10 režie
85 režie
85 režie
200 režie
450 režie
OTK
Tab. 6.2 Výchozí hodnoty pro výpočet výrobních nákladů navrhovanou variantou:
Pracoviště
tAC
tBC
[min/kus] [min/dáv]
MtAC
MtBC
Nhs
R
[Kč/hod]
[Kč/hod]
[Kč/hod]
[%]
Pila PK 320 A
0,060
10
80
80
340
450
Frézka CPF 18/4
0,027
30
100
100
610
450
Frézka CPF 18/4
0,027
30
100
100
610
450
Pila PK 320 A
0,015
10
80
80
340
450
Horní frézka
0,070 režie
10 režie
85 režie
85 režie
200 režie
450 režie
OTK
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 60
Pomocí vzorců 6.1 až 6.7 byly vypočteny výrobní náklady pro stávající a navrhovanou variantu. Ty jsou shrnuty v tabulkách 6.5 a 6.6. V tabulkách 6.3 a 6.4 jsou uvedeny dílčí výsledky nákladů vztažených k časům tAC a tBC v daných operacích. Tab. 6.3 Výrobní náklady stávající varianty výroby pro jednotlivé operace:
NmAC
NmBC
NpsAC
NpsBC
[Kč/kus]
[Kč/dáv]
[Kč/kus]
[Kč/dáv]
Pila PK 320 A
0,59
73,33
0,45
56,67
FN 40
1,32
660,00
1,20
600,00
Bruska HB 800
OTK
0,54 režie
77,92 režie
0,24 režie
33,33 režie
Součet
2,45
811,25
1,89
690,00
Pracoviště
Tab. 6.4 Výrobní náklady navrhované varianty výroby pro jednotlivé operace:
NmAC
NmBC
NpsAC
NpsBC
[Kč/kus]
[Kč/dáv]
[Kč/kus]
[Kč/dáv]
Pila PK 320 A
0,44
73,33
0,34
56,67
Frézka CPF 18/4
0,25
275,00
0,27
305
Frézka CPF 18/4
0,25
275,00
0,27
305
Pila PK 320 A
0,11
73,33
0,09
56,67
Horní frézka
0,54
77,92
0,24
33,33
OTK
režie
režie
režie
režie
Součet
1,59
774,58
1,21
756,67
Pracoviště
Tab. 6.5 Výrobní náklady pro dávku 5000 ks klínků vyráběných stávající variantou:
Nzd [Kč/kus]
Nnd [Kč/dáv]
Nvd [Kč/dáv]
11,04
1501,25
56701,25
Tab. 6.6 Výrobní náklady pro dávku 5000 ks klínků vyráběných novou variantou:
Nzd [Kč/kus]
Nnd [Kč/dáv]
Nvd [Kč/dáv]
9,50
1531,25
49031,25
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 61
Na základě provedených výpočtů výrobních nákladů pro dávku 5000 kusů je stávající cena výroby jednoho klínku NvkS = 11,34 Kč. V případě nastavení navrhovaných řezných podmínek a navrhovaného způsobu výroby, lze tyto náklady snížit na NvkN = 9,81 Kč za kus. Investice v porovnání s ostatními navrhovanými řešeními výroby klínků je vysoká, ovšem vzhledem k velkému počtu vyráběných kusů lze očekávat krátkou dobu návratnosti investice. Vstupní hodnoty pro výpočet výrobních nákladů navrhované varianty jsou voleny po dohodě s technologem firmy Labara s. r. o. Vypočítané hodnoty se mohou se skutečnými lišit, ty lze získat až realizací tohoto návrhu. Vzhledem
ke
zkušenosti
technologa
s
problematikou
obrábění
elektroizolačních kompozitních materiálů vyztužených skelnými vlákny nástroji se zrny PKD se však tyto hodnoty lišit příliš nebudou.
6.2 Výpočet minimální výrobní dávky Z výsledků dosažených v bodě 6.1 lze určit minimální výrobní dávku, od které je použití navrhované technologie výroby klínků z ekonomického hlediska výhodnější, než stávající varianta. Minimální výrobní dávka vychází z celkových výrobních nákladů pro určité množství klínků vyráběných současnou a navrhovanou variantou. Ke stanovení minimální výrobní dávky jsou použity výsledky z tabulek 6.5 a 6.5. Úpravou vzorce 6.7 je stanoven minimální počet výrobní dávky: (18) 1531,22 11,04
1501,25 9,50
19,46
20 ks
(6.8)
Vzorec 6.7 lze pro obě posuzované varianty vyjádřit také graficky. Minimální velikost výrobní dávky dk určuje průsečík přímek výrobních nákladů posuzovaných variant.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 62
Výrobní náklady Nvd [Kč]
Graf. 6.1 Grafické porovnání výrobních nákladů stávající a navrhované varianty
2500 2000 1500 1000 Stávající varianta 500
Navrhovaná varianta
0 0
10
20
30
40
50
60
70 80 90 100 Počet kusů v dávce dv [–]
6.3 Výpočet návratnosti investice Vhodným ukazatelem k hodnocení navrhované varianty je doba návratnosti finanční investice nutné pro zavedení nové výroby klínků. Ta závisí na celkové velikosti investice pro zavedení výroby klínků novou variantou a úsporami, jež tato varianta přinese. Jednotlivé položky tvořící celkové náklady IC jsou uvedeny v tabulce č. 6.7. Uvedené ceny jsou s DPH. Předpokládané ceny nástrojů a přípravku, jsou určeny na základě již vyrobených tvarově podobných nástrojů. Jejich cena je závislá na velikosti plochy pokryté zrny PKD. Tab. 6.7 Položky tvořící celkové náklady
Položka
Cena [Kč]
Profilovací frézka CPF 18/4
496230
Horní frézka Griggio G80
115192
Předpokládaná cena všech nástrojů
18000
Předpokládaná cena výroby přípravku
10000
Celkové náklady IC
639422
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 63
Celkové úspory UC dosažené zavedením této výroby určuje rozdíl výrobních nákladů stávající variantou a navrhovanou variantou. Tento rozdíl je násoben předpokládaným ročním výrobním množstvím. ·
11,34
9,81 · 250000
382500 č
(6.9)
Celková doba návratnosti poté bude NR [roky]: NR
IC UC
639422 382500
1,67 roku
(6.10)
Návratnost investice 1,67 roků je dobrým ukazatelem a vhodným argumentem pro vedení společnosti tuto variantu realizovat. Předpokladem je zachování stávajícího objemu zakázek.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 64
ZÁVĚR Obrábění elektroizolačních kompozitních materiálů se potýká s řadou problémů a v mnohém se liší od obrábění kovů. Práce definuje vlastnosti těchto materiálů a potíže vznikající při jejich obrábění. Zvýšená pozornost je kladena na obrábění kompozitů, jejichž výztuhou jsou skelná vlákna. Dále je navržen nový způsob výroby součásti klínek. Dosažené výsledky jsou následující: •
na vlastnosti kompozitních elektroizolačních materiálů má významný vliv druh a uložení výztuhy v matrici,
•
velikosti řezných a posuvových rychlostí musí být voleny tak, aby nebyla překročena takzvaná kritická teplota, při její hodnotě dochází k degradaci pryskyřičné matrice a na obrobeném povrchu se začnou objevovat natavené či spálené oblasti, také dochází ke ztrátě funkce pojiva;
•
při obrábění je nutné pracovat s dostatečně ostrými nástroji, tak je eliminována tvorbu delaminace a lámání vláken; při nadměrném opotřebení břitu se vlákna odlamují místo toho, aby byla řezána,
•
k otupení nástrojů dochází nejvíce vlivem abrazivního působení vyztužujících vláken na břit nástroje (nejvíce skelných); nepříznivý vliv na nástroj má také jeho tepelné zatížení, které vzniká díky nízké tepelné vodivosti obráběných materiálů,
•
s ohledem na abrazivní účinky skelných vláken jsou nejvýhodnějšími nástrojovými materiály pro obrábění elektroizolačních kompozitních materiálů povlakované slinuté karbidy a nástroje z PKD; dobrých výsledků je dosaženo použitím nástrojů, na jejichž pracovní plochy jsou nanesena zrna z PDK,
•
použití procesních kapalin snižuje abrazivní účinek vyztužujících vláken, zvyšuje trvanlivost nástrojů a umožňuje nastavení vyšších řezných a posuvových rychlostí; při jejím použití je u nástrojů ze slinutého karbidu (skupina P) s povlakem TiAlN dosaženo vyšší trvanlivosti o 15–30 % a to i za zvýšených řezných rychlostí a posuvů,
•
na výslednou hodnotu průměrné aritmetické úchylky profilu Ra a nejvyšší výšky profilu Rz povrchu obrobené plochy má významný vliv orientace
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 65
vyztužujících vláken vůči nástroji; nejlepších výsledků je dosaženo při frézování ploch kolmých na vrstvy výztuže, •
vzhledem
k nízkému
modulu
pružnosti
materiálu
je
pro
upínání
tenkostěnných dílců a desek výhodné používat pneumatické stoly, kde je obrobek upnut podtlakem, •
nynější výrobou součásti klínek nástrojovou frézkou FN 40 dochází k tvarovým a rozměrovým nepřesnostem; použitím navrhované varianty výroby čtyřstrannou profilovou frézkou s nástroji se zrny z PKD jsou tyto neshody odstraněny,
•
zavedením této výroby se sníží celkové výrobní náklady na jeden klínek o 1,53 Kč, což představuje snížení ceny o 13,5 %,
•
návratnost investice nutné pro zavedení navrhované varianty výroby je při zachování nynější roční produkce 1,67 roku. Výše uvedené body shrnují výsledky této práce. Pro podrobnější
určení problému souvisejícího se vznikem takzvané kritické teploty při obrábění lze pro její detailní popis použít termokameru, či termočlánek. Na jejich základě lze stanovit kritické velikosti řezných a posuvových rychlosti za daných technologických podmínek obrábění určitého materiálu a popsat jejich vliv na vlastnosti obrobené plochy.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 66
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 1. LABARA s. r. o. Informace [online]. [cit. 12. 3. 2009]. Dostupné na World Wide Web:
. 2. RAAB, M. Materiály a člověk (Netradiční úvod do současné materiálové vědy). 1. vyd. Praha: Encyklopedický dům, 1999. 228 s. ISBN 80-8604413-0. 3. JANČÁŘ, J. Úvod do materiálového inženýrství polymerních kompozitů. 1. vyd. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta chemická, 2003. 194 s. ISBN 80-214-2443-5. 4. HUMÁR, A. Obrábění vláknově vyztužených kompozitů. Teze přednášky k profesnímu jmenovacímu řízení v oboru Strojírenská technologie. Brno: VUT-FS, Ústav strojírenské technologie, 2004. 26s. ISSN 1213–418X. 5. FÜRBACHER, J. a kolektiv. Lexikon technických materiálů – svazek 4. 1. vyd. Praha: Verlag dashöfer, 2001. ISBN 80-86229-02-5. 6. SEDLÁČEK, Jan. Problémy při obrábění kompozitních materiálů. MM Průmyslové spektrum. Duben 2007, č. 4, s. 66–67. ISSN 1212–2572. 7. AVRASIN, J. a spol. Technologie strojírenské výroby díl 4: obrábění kovů, dřeva a plastických materiálů. Přel. J. Jirák. 1. Vyd. Praha: Průmyslové nakladatelství, 1952. 367 s. 8. DVOŘÁK, M. Technologie 2. 1. vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2001. 238s. ISBN 80-214-2032-4. 9. EPIMEX s.r.o. Hydraulická lisy Langzauher [online]. [cit. 20. 3. 2009]. Dostupné na World Wide Web: < http://www.epimex.cz/hydraulicke-lisylangzauner.html#etazove-dyhovaci >. 10. PREFA KOMPOZITY a.s. Informace o technologii [online]. [cit. 20. 3. 2009]. Dostupné na World Wide Web: . 11. VANĚK, Milan. Třískové obrábění technických dílů z plastů. MM Průmyslové spektrum. Únor 2005, č. 1 a 2, s. 56. ISSN 1212–2572. 12. SEDLÁČEK, Jan. Nástroje pro obrábění kompozitních materiálů. MM Průmyslové spektrum. Červen 2006, č. 6, s. 28–30. ISSN 1212–2572.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 67
13. CHESTERTON s.r.o. Obráběcí kapaliny [online]. [cit. 7. 3. 2009]. Dostupné na World Wide Web: . 14. KOŇAŘ. Václav. Výuka CAD/CAD [online]. [cit. 3. 3. 2009]. Základy programování. Valašské Meziříčí, 2007, 97 s. Dostupné na World Wide Web: . 15. SANDVIK COROMANT. Katalog 2009 [online]. [cit. 12. 3. 2009]. Dostupné na World Wide Web: < http://www.coromant.sandvik.com/cz>. 16. Hlavní katalog 2008/2009. HOFFMANN GROUP – HOFMAN QUALITÄTSWERKZZUGE CZ s.r.o. Česká republika. 2008. 17. FOREJT, M., PÍŠKA, M. Teorie obrábění, tváření a nástroje. 1. vyd. Brno: Akademická nakladatelství CERM. 2006. 225s. ISBN 80-214-2374-9. 18. ZEMČÍK, O. Technologická příprava výroby. 1. vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2002. 158 s. ISBN 80-214-2219-X. 19. MÁDL, J., KVASNIČKA I. Optimalizace obráběcího procesu. 1. vyd. Praha: Nakladatelství ČVÚT, 168 s. ISBN 80-01-01864-6. 20. KOCMAN, K., PROKOP, J. Technologie obrábění. 1. vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2001. 270 s. ISBN 80-214-1996-2. 21. RUMÍŠEK, P. Technologické projekty. 1. vyd. Brno: Nakladatelství VUT v Brně, 1991. 185 s. ISBN 80-214-0385-3. 22. ROJEK a. s. Čtyřstranné frézky [online]. [cit. 12. 4. 2009]. Dostupné na World Wide Web: . 23. ROJEK a. s. Formátovací pily [online]. [cit. 12. 4. 2009]. Dostupné na World Wide Web: . 24. HOUFEK s. r. o. Produkty [online]. [cit. 13. 4. 2009]. Dostupné na World Wide Web: . 25. PILART s. r. o. Dřevoobráběcí stroje Griggio [online]. [cit. 20. 4. 2009]. Dostupné na World Wide Web: .
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 68
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ Zkratka/Symbol
Jednotka
Popis
Ee
[J]
mechanická energie
F
[N]
tlaková síla od ostří
IC
[Kč]
celková investice
MtAC
[Kč.hod-1] -1
mzdový tarif pro čas tAC
MtBC
[Kč.hod ]
mzdový tarif pro čas tBC
NC
[Kč]
náklady na vyrobení jednoho kusu
NR
[rok]
doba návratnosti investice
Nhs
[Kč.hod-1]
Nm
[Kč]
NmAC
[Kč/kus]
NmBC
[Kč/dávka]
Nnd
[Kč/dávka]
NpsAC
[Kč/kus]
náklady na provoz stroje za čas tAC
NpsBC
[Kč/dávka]
náklady na provoz stroje za čas tBC
náklady za hodinu provozu stroje náklady na přímý materiál
-1
náklady na přímé mzdy se započtením provozní režie za čas tAC náklady na přímé mzdy se započtením provozní režie za čas tBC náklady nezávislé na počtu kusů v dávce
Nsm
[Kč.min ]
náklady na minutu strojní práce
Nt
[Kč]
náklady na nástroj vztažené k jedné trvanlivosti
Nvd
[kus]
výrobní náklady na dávku
NvkS
[Kč]
výrobní náklady na klínek stávající výrobou
NvkN
[Kč]
výrobní náklady na klínek navrhovanou výrobou
Nvm
[Kč]
náklady na minutu vedlejší práce
Nzd
[Kč/kus]
OTK
[-]
oddělení technické kontroly
PDK
[-]
polykrystalický diamant
Q
[kus]
Qe
[J]
tepelná energie vzniklá při obrábění
QCh
[J]
teplo vzniklé utvářením a dělením třísky
QSh
[J]
teplo způsobené plastickou deformací
náklady závislé na počtu kusů v dávce
počet dílců obrobených za jednu trvanlivost nástroje
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 69
teplo způsobené třením mezi obrobenou
Qα
[J]
Qγ
[J]
R
[%]
režie provozu
Ra
[µm]
průměrná aritmetická úchylka profilu
RO
[-]
Rz
[µm]
SK
[-]
T
[min]
trvanlivost nástroje
Tg
[°C]
teplota skelného přechodu
UC
[Kč]
roční úspory
VB
[mm]
opotřebení na hřbetě nástroje
VBD
[-]
výměnná břitová destička
WC
[-]
karbid wolframu
ap
[mm]
cT
[-]
dk
[kus]
minimální výrobní dávka
dv
[kus]
výrobní dávka
dvr
[kus]
plochou a hřbetem nástroje teplo způsobené třením mezi třískou a čelem nástroje
rychlořezná ocel nejvyšší výška profilu slinutý karbid
šířka záběru ostří konstanta Taylorova vztahu
roční výrobní dávka -1
f
[mm.min ]
posuv za minutu
f´
[mm.min-1]
přísuv za minutu
fn
[mm]
posuv za otáčku
fz
[mm]
posuv na zub
m
[-]
n
[min-1]
otáčky za minutu
tAC
[min]
jednotkový čas s podílem času směnového
tAX
[min]
čas jednotkové nepravidelné obsluhy
tBC
[min]
dávkový čas s podílem času směnového
tas
[min]
jednotkový strojní čas
tav
[min]
jednotkový vedlejší čas
tc
[min]
celkový čas na obrobení jednoho kusu
exponent Taylorova vztahu
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 70
vC
[m.mm-1]
řezná rychlost
vCoptN
[m.mm-1]
řezná rychlost z hlediska minimálních nákladů
vCoptV
[m.mm-1]
řezná rychlost z hlediska maximální výrobnosti
-1
vf
[m.mm ]
rychlost posuvu
α0
[°]
nástrojový ortogonální úhel hřbetu
γ0
[°]
nástrojový ortogonální úhel čela
τ
[-]
poměr celkové s obráběné délky
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 71
SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1
Výrobní výkres součásti VÝZTUHA, č. v. SE 30 158 a
Příloha 2
Technologický postup součásti VÝZTUHA
Příloha 3
Záznam z měření Ra a Rz frézovaného povrchu
Příloha 4
Výrobní výkres součásti KLÍNEK STATORU, č. v. K41079
